伺服测试（精选四篇）
伺服测试 篇1
基于快刀伺服 (fast tool servo, 简称FTS) 的金刚石车削技术具有高效率、高精度的特点, 在光学自由曲面车削、非圆加工和微结构表面创成等方面具有明显的优势[1,2], 是目前国内外的研究热点方向。
在FTS车削过程中, 随着自由曲面的面型的变化, 金刚石刀具的瞬态工作前角会实时发生变化。而刀具瞬态角度的变化会影响刀具磨损、切削力的变化以及切削稳定性。早在1985年, 美国普杜大学C.R.Liu通过正交车削试验研究了同时主动改变刀具前角和后角对加工稳定性的影响[3]。其后, 华中科技大学[4]、吉林工业大学[5]、清华大学[6]等单位分析了改变刀具切削前角时系统的切削稳定性比刀具切削前角不变的切削稳定性高, 刀具前角变动频率和变动幅度对切削稳定性有很大影响。2003年清华大学吴丹等研究指出车削像凸轮这样的大非圆度工件时, 必须考虑由于刀具工作角度的变化对切削力、刀具使用寿命、加工质量等造成的影响[6]。2014年华中科技大学Liqiang研制了一套两自由度解耦变角度加工系统, 采用直线音圈电机和扇形伺服电机联合驱动, 实现恒前角和恒速高速车削凸椭圆活塞[7]。而在自由曲面金刚石中, 刀具前角的变化依赖于曲面的面形结构, 变化的复杂程度往往远大于普通的非圆零件, 这也给FTS金刚石车削加工带来了很大影响。
因此, 针对设计的一套直线回转式的FTS装置, 进行了性能测试与分析, 该装置能实现z向位移, 以及绕x轴转动, 即可以调节刀具的工作前角;装置采用压电驱动柔性铰链来实现。
1 装置设计与分析
串联结构回转FTS装置示意图如图1所示, 串联机构没有运动串扰, 易控制。在理想情况下, 以金刚石刀具的刀尖为回转中心, 这样有利于刀具路径的计算和刀具轨迹跟踪控制。
本装置都采用直板型柔性铰链, 采用柔度矩阵计算与ANSYS分析相结合的方式对柔性铰链部分进行了设计[8]。主要尺寸参数如下:受刀具安装、驱动器尺寸及装置与机床安装空间的限制, 现初选结构尺寸如下:φ3=65°, 转动铰链相互间隔15°;内圈r=18mm, 外圈r=40mm;直板型柔性铰链的厚度w=0.8mm, 宽度b=18mm, 长度l=6mm。采用德国PI公司的压电叠堆, 最大行程15μm, 最大输出力1750N。
2 FTS系统性能测试
对于运动系统, 系统的固有频率决定了FTS的工作频率范围, FTS的实际工作频率往往小于系统固有频率的60%, 以保证FTS的工作精度。测试中多采用锤击或阶跃的方式获得激励响应, 然后进行FFT分析可获得系统的一阶固有频率。FTS的轨迹跟踪精度是FTS非常重要的性能指标, 它直接影响工件的加工精度, 而FTS系统的实际运动信号为类正弦曲线轨迹, 所以, FTS系统的运动精度测试一般采用正弦信号。作为高精度的运动系统, 运动分辨率是一个非常重要的性能指标, 它是指FTS运动系统所能实现的最小运动步长, 也直接影响FTS系统所能达到的运动精度, 一般采用台阶信号进行测试。本文分别对FTS系统进行阶跃测试、正弦跟踪精度测试和台阶信号测试, 测试系统如图2所示, 控制器可输出相关测试信号, 利用Micro Sensor电容传感器记录FTS系统的激励响应, 传输到控制器内记录, 并进行相关分析。
对FTS系统进行阶跃激励, 控制器对响应信号进行FFT分析, 得出如图3所示的幅频特性曲线, 由图可以看出, FTS系统的一阶固有频率为240Hz;FTS系统在工作过程中, 会随着曲面的不同其工作频率在一定范围内连续变化, 所以, 为了保证FTS系统安全工作, FTS的工作频率可保持在150Hz以下。分别对FTS的z向和转动方向施加正弦波信号, 可以得出FTS系统的正弦跟踪情况, 其中, z向的跟踪精度约为3.0%, 转动方向的跟踪精度约为2.5%;在压电驱动器满行程工作的时, FTS系统的跟踪误差能保持在亚微米级以下。对FTS系统的直线和转动方向施加台阶信号, 采用逐渐减小台阶信号差值的方式获得了FTS所能实现的最小运动分辨率, 转动方向的传感器记录值为30nm, 可计算为转动分辨率1.2μrad;z向的运动分辨率为10nm。
3 讨论
针对自由曲面车削加工中存在的工作角度变化而导致的切削不稳定、刀具磨损快等问题, 设计一套直线回转式FTS装置, 可以实现z向的直线运动和绕x轴的回转运动, 其中回转运动是用于改变金刚石刀具的工作前角, 实现工作角度调整。对FTS系统进行了性能测试, 包括共振频率、轨迹跟踪精度和运动分辨率, 结果表明, 该装置具有良好的工作性能。
参考文献
[1]徐兵, 王翠, 刘强.光学自由曲面快速刀具伺服加工技术的研究进展[J].制造业自动化, 2013, 35 (11) :69-74.
[2]马琳, 刘晓兵, 刘强, 王俊.新型直线/回转式快速刀具伺服装置的设计[J].制造业自动化, 2014, 36 (2) :32-36.
[3]Liu C R, Liu T M.Automated chatter suppression by tool geometry control[J].Journal of Engineering for Industry, 1985, 107 (2) :95-98.
[4]Mei Z, Yang S, Shi H, et al.Active chatter suppression by on-line variation of the rake and clearance angles in turning—principles and experimental investigations[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1994, 34 (7) :981-990.
[5]杨辅伦, 于骏一, 张海燕.刀具工作前角时变系统切削稳定性的研究[J].振动工程学报, 1994, 7 (1) :80-85.
[6]吴丹, 王先逵, 赵彤, 等.非圆车削中刀具运动实现方法[J].清华大学学报:自然科学版, 2003, 43 (11) :1472-1475.
[7]Qiang L, Wu A, Bing C.Variable angle compensation control of noncircular turning[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 70 (1-4) :735-746.
伺服测试 篇2
新型气伺服点焊枪 (以下简称点焊枪或焊枪) 集气伺服控制器、气路管道、通讯控制器于一体, 由焊枪电极运动伺服控制系统和焊枪平衡控制系统组成, 两者通过Interbus-S总线形式实现通讯。焊枪的运动及参数均由上位机 (机器人或PLC) 控制和设置。
为缩短点焊枪故障处理时间, 降低停线风险, 急需一套焊枪离线测试检修设备。由于焊枪为新型进口产品, 国内无配套测试设备, 因此本文利用PLC (S7317F) 及Phoenix公司的Proxy等设备自行研究设计了一套点焊枪离线测试检修设备。为实现人机交互和焊接功能, 该设备还使用了西门子公司的MP277触摸屏和BOSCH中频焊机控制器, 它们通过Interbus-S总线连接到PLC系统中。
1 气伺服点焊枪简介
1.1 工作原理
点焊枪依靠伺服气缸, 将焊接板材压紧在两电极之间, 并利用低电压、大电流、在短时间内利用电阻热熔化电极加压部位母材金属, 形成熔核焊点[1]。
1.2 基本结构
点焊枪结构主要包括:静臂电极、动臂电极、伺服气缸、伺服控制模块、平衡缸、伺服传感器等, 如图1所示[2]。伺服控制模块为点焊枪的大脑, 控制着点焊枪所有动作, 包括电极大开、电极中开、电极闭合、重力平衡系统以及紧急停止等[3]。
2 离线测试检修设备设计
2.1 硬件设计
在本设计方案中, PLC作为上位机控制着整个测试系统中的设备, 包括点焊枪、BOSCH焊接控制器、MP277触摸屏、Proxy网关等。由于PLC自身不具备Interbus通信功能, 因此Proxy的主要作用是将Profinet协议转换成Interbus协议, 从而实现点焊枪伺服模块、BOSCH焊接控制器与PLC的通讯。测试设备硬件设计方案如图2所示。
2.2 PLC硬件组态
按照硬件设计方案图铺设好网络线后, 需在PLC硬件组态中将现场网络实现通信功能。可按照下面八个步骤进行[4]:
(1) 添加一台机架RACK 300;
(2) 在RACK 300机架的2号槽中插入CPU 317F-2PN/DP;
(3) 添加一条DP总线, 并设置其波特率为1.5M;
(4) 添加一条PN总线, 并设置其IP地址为192.168.0.2;
(5) 在模块窗口中找到FL NP PND-4TX IB-LK V2.0模块并双击, 将Proxy网关挂接到PN总线中;
(6) 在Proxy的第3插槽内添加一个3Words DI/DO模块, 该模块为BOSCH中频焊机;
(7) 在Proxy的第4插槽内添加一个IBS RL 24 DIO8/8/8-LK模块, 该模块为过渡模块, 无IO交换;
(8) 在Proxy的第5插槽内添加一个5Words DI/DO模块, 该模块为点焊枪的SMC模块。
至此, PLC硬件组态配置完成。点焊枪测试平台硬件组态如图3所示。
2.3 软件编程
2.3.1 伺服控制模块I/0
为了能够利用PLC实现控制点焊枪功能, 首先该了解伺服模块的通讯字的含义, 也即其与PLC通讯的80位中各位的含义。伺服模块的主要通讯字含义如表1所示[5]。
2.3.2 PLC程序编写
根据点焊枪动作功能, 将软件程序结构分为四个功能块, 分别为:R位动作控制功能块、M位动作控制功能块、V位动作控制功能块和焊接控制功能块。按照点焊枪动作分块编程, 结构清晰, 便于阅读。程序流程如图4所示。
2.4 人机界面
现场使用的点焊枪气缸缸径、焊枪类型、最大压力、最大开口以及焊枪速度都不同, 需要根据点焊枪型号将上述参数手动输入到PLC系统中。为方便测试人员操作, 以西门子公司的MP277触摸屏作为人机界面 (Human Machine Interface, HMI) , 大大降低了测试人员的操作难度, 提高了便利性。点焊枪基本参数设置界面如图5所示。五个基本参数是:
(1) 焊枪类型——现场点焊枪有C型和X型两种;
(2) 缸径——现场有直径为80 mm、90 mm、100mm、125 mm、140 mm、160 mm等不同缸径的点焊枪。需要根据被测试点焊枪的类型将缸径输入到PLC程序中;
(3) 最大压力——每把点焊枪能够承受的最大压力都不同。为了保护被测试点焊枪, 需要限制输出压力, 避免损坏;
(4) 最大开口——为动臂与静臂之间的距离, 每把点焊枪的最大开口都不同;
(5) 焊枪速度——SMC伺服模块可以控制点焊枪速度, 调节范围为0~15 (其中0对应100%, 15对应20%, 按5%依次递减) 。显而易见, 当此参数设置为0时, 点焊枪运动速度最快;反之则最慢。
3 结束语
在点焊枪离线测试检修设备功能设计中, 通过Interbus协议将PLC、BOSCH焊接控制器、点焊枪等设备连通, 从而利用PLC控制实现了点焊枪测试功能, 解决了之前点焊枪维修需要3~4名维修工到生产线上进行在线检测的问题, 克服了费时费力、生产风险性大等难题, 有效降低了生产线停线风险, 大幅提高了劳动生产率。
参考文献
[1]付先平.浅谈伺服焊枪在车身焊接中的应用[J].科技经济导报, 2015 (13) :33-35.
[2]李靖.点焊机器人焊钳的设计[J].汽车工艺与材料, 2001 (8) :25-28.
[3]唐海勇.汽车车身制造焊钳的设计研究[J].企业科技与发展2009 (2) :36-37.
[4]姜建芳.西门子S7-300/400 PLC工程应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2012.
伺服测试 篇3
电液伺服阀是一种接受模拟量电控制信号、输出随电控制信号大小及极性变化, 且快速响应的模拟流量或 (和) 压力的液压控制阀。根据输出液压模拟量基本为流量或压力, 电液伺服阀可分为电液流量伺服阀和电液压力伺服阀两大类, 简称为“流量伺服阀”或“压力伺服阀”。电液压力伺服阀性能的优劣对液压设备的控制精度、系统的稳定性及可靠性有着举足轻重的影响。电液压力伺服阀品质的好坏主要由两个特性来评定:静态特性、动态特性[1]。伺服阀的动态性能 (尤其是阶跃响应特性) 测试是伺服阀性能测试中的难点[2]
本文介绍了电液压力伺服阀的应用, 对压力伺服阀的阶跃测试的重要性加以剖析, 而后在电液压力实验台上对某阀进行了阶跃响应测试, 用Lab VIEW对测试中的噪声进行滤除处理, 并给出对比曲线。
1 电液压力伺服阀
电液压力伺服阀的输入信号与输出负载压力有良好的线性关系, 它与伺服缸与伺服马达相组合, 能线性输出力或力矩, 对动态和静态要求不高的施力系统, 可采用开环控制方式;而对动态和静态要求高的施力系统, 宜采用闭环控制方式。
2 压力阀的阶跃响应
压力伺服阀可以看作一个二阶系统, 伺服阀动态特性的一个重要评价手段是其时域响应。伺服阀的阶跃响应是指在额定工作压力下, 负载为零时, 伺服阀的输出压力对阶跃输入电流的跟踪过程。从阶跃响应曲线可以得到上升时间、超调幅值和过渡时间等时域品质指标。虽然频域性能参数也能反映压力阀的动态品质, 但时域参数更为直观。阶跃响应的测量精度要低于频率响应, 因为阶跃响应测量是在压力的过渡过程中迸行的, 外界的随机干扰对测试的影响要大得多。此外, 在阶跃响应测试时, 仪表的测量误差对响应曲线的起始段影响较大, 这也造成了测试的不精确。为了解决类似问题, 压力阀的自动化测试平台构建显得极为必要, 中船集团旗下研究所根据客户需求, 研发了一套完整的电液压力伺服阀测试系统, 其中包含对压力阀的阶跃响应测试项。用给定的方波作为测试激励, 不加降噪处理测试曲线如图1所示。
从图中可以看出超调量和稳态值都很难读出, 并且曲线起始阶段的毛刺对计算影响较大, 曲线并不理想。
3 测试信号在Lab VIEW中的消噪处理
在Lab VIEW中, 对信号的降噪处理有两种方法:一种是用户自己根据需要, 结合matlab对信号进行滤波与变换, 达到降噪目的, 此种方法虽然能很好地达到要求, 但是复杂, 可读性差;另一种方法则是调用Lab VIEW中的滤波器函数设计节点, Lab VIEW工具包中有一种非常著名的滤波器———巴特沃斯滤波器。
在信号传输工程中, 经常会混入高频噪声, 甚至超过信号能量。接收端收到信号后通常首先要进行低通滤波, 然后对信号作进一步处理。[3]巴特沃斯滤波器可以设置为低通、高通、带阻和带通四种类型, 并且可以为每一种类型设置截至频率, 这种滤波方法能有效抑制仪表元件不稳定引起的误码脉冲干扰和偶然因素引起的波动, 提高信号噪声比。
测试消噪主要针对的是高频噪声, 故将巴特沃斯滤波器设置为低通模式。
运用巴特沃斯滤波器对测试进行消噪处理的关键在于截至频率等参数的选择, 巴特沃斯滤波器节点在Lab VIEW中的主要接线端口如图2所示。
进行测试试验, 滤波器类型选为低通, 采样频率设置为1k Hz, 高频截至参数无效, 低截至频率经过反复测试设为0.01, 阶数为2, 去噪后的阶跃响应曲线如图3所示。
4 结语
利用Lab VIEW中的巴特沃斯滤波节点, 能有效消除电液压力伺服阀阶跃响应测试中的高频噪声, 使曲线更直观地反映输出压力对激励信号的响应能力, 实验结果精度高, 曲线平滑, 与阀固有的特性更相符。
摘要：介绍电液压力伺服阀阶跃响应测试原理, 采用工业上应用广泛的虚拟仪器技术 (LabVIEW) 对伺服阀进行动态性能测试, 并用巴特沃斯滤波消噪对测量过程中产生的高频噪声进行降噪处理, 输入信号与输出信号均在虚拟仪器软件界面完成, 给出了滤波前后的特性曲线。
关键词：压力伺服阀,阶跃响应,巴特沃斯,虚拟仪器
参考文献
[1]虞海星, 姜南.基于LabVIEW电液压力伺服阀测试台设计与实现[J].舰船电子工程, 2012, 32 (3)
[2]姜万录, 张建成.电液伺服阀阶跃响应测试及其小波消噪处理[J].仪器仪表学报, 2002 (6)
伺服测试 篇4
外科植入体长期处于受生物、化学和物理等复杂因素作用的环境当中,不仅不能对人体产生任何毒副作用,而且应当具有很好的稳定性和耐用性[1]。这就要求用作植入体或修复体的医用生物材料必须具有良好的生物相容性和生物力学性能。当植入材料处于交变应力作用环境中,其工作应力远低于材料的强度极限,在一段时间后突然发生断裂并且在断裂前无明显的塑性形变,这种破坏现象被称为疲劳破坏[2]。为了测试生物材料的抗疲劳能力,须要综合运用拉伸、压缩、弯曲和扭转试验等生物力学性能测试方法对材料进行疲劳试验[3]。现有研究表明,一些骨科植入体在人体中长期处于低周疲劳状态会导致材料破坏[4]。因此,对骨科植入材料进行低周疲劳实验是测试其生物力学性能的一种重要方法[5][6]。
交流伺服电机具有良好的运行性能,不仅运行稳定、不易丢步或过冲,而且控制精度高、控制方法简单[7]。此外,它还具有低频特性好、过载能力强、矩频特性佳和响应速度快等特点[8]。交流伺服电机大多有三个控制环,从内到外依次是电流环、速度环和位置环。在位置控制模式下,伺服系统内部进行了所有三个环的计算,用以确保电机能够运动到给定位置[9]。目前,交流伺服电机在数控自动化、激光加工、大规模集成电路制造和工厂自动化[7]等科技领域起着十分重要的作用。
文中提出了一种基于TMS320F28335的交流伺服电机控制系统,并且应用到了生物材料低周疲劳实验装置中。该系统的硬件电路构成了载荷反馈和位置反馈的闭环控制,应用PID算法可在载荷模式或位置模式下进行实时控制。上位机软件可对DSP控制器进行远程控制,在线修改参数调整试验状态,并且具有通信简单、可靠的特点。
2 控制系统设计
2.1 系统整体介绍
如图1所示,该交流伺服电机控制系统主要由上位机软件、控制电路、伺服电机系统和反馈回路等组成。
在系统中,上位机软件通过RS-232串口向控制电路中的DSP发送控制命令,DSP接收并解析命令,然后通过数字接口向伺服驱动器发送指令。伺服驱动器根据得到指令控制电机的运行,电机的实际运行状态通过编码器反馈到驱动器中。当电机发生故障时,伺服驱动器通过报警IO口向DSP发送一个逻辑电平信号,DSP通过外部中断收到该信息后进行相应的处理,并通过RS-232串口向上位机软件发送报警信息。
伺服电机带动疲劳测试装置对材料进行加载,产生的载荷和位移通过相应传感器检测后反馈到硬件电路中构成载荷反馈和位置反馈,从而实现系统的闭环控制。载荷反馈用于调节材料所受的拉力和压力,从而测试材料在不同应力作用下的疲劳特性;位置反馈用于调节材料被拉伸或压缩的距离,从而测试材料在不同应变下的疲劳特性。在闭环控制状态下,DSP可根据采集到的载荷量或位移量并运用PID控制算法实时、动态地调节输出信号,从而提高控制精度。
2.2 伺服电机位置模式控制方法
文中选用的是成都乐创Leetro A1系列的交流伺服电机和伺服驱动器,通过指令控制伺服驱动器就能实现对交流电机的控制。伺服驱动器的面板上提供了用于连接控制电路的数字连接器,其中包含了三种控制模式所需接线。在位置模式下,主要通过PULS1、PULS2、SIGN1、SIGN2四根接线来发送控制指令。这四根接线是位置指令脉冲输入端子,其中PULS1和PULS2端子在内部电路中产生的输出信号为PULS,SIGN1和SIGN2端子在内部电路中产生的输出信号为SIGN。驱动器使用手册上提供了三种指令脉冲形态,文中设计采用的是“脉冲序列+符号”形态,如图2所示。在“脉冲序列+符号”形态下,PULS所代表的脉冲波频率决定着电机的转速,SIGN所代表的逻辑电位决定着电机的转向。在实际使用时可将PULS1和SIGN1端子固定接在控制电路的高电平端口上,将SIGN2接控制电路的逻辑IO口,将PULS2接在控制电路的PWM脉冲波输出端口上。
2.3 硬件控制电路
如图3所示,硬件控制电路主要由核心控制器TMS320F28335和接口转换芯片MAX3232、AD转换芯片CS5532、双向电平转换芯片MAX3002、电流驱动芯片SN74LS245和光耦4N25等组成。图中的RS232_RX和RS232_TX是用于和上位机通信的RS-232串口收发端子;IN1+和IN1-、IN2+和IN2-是两组模拟电压输入通道;PULS2和SIGN2是控制伺服驱动器的指令端子,PULS2是脉冲端,SIGN2是逻辑IO端;SRV-ON是伺服电机的使能信号端,ALM是伺服驱动器的报警输出端。
控制电路使用的DSP是TI(德州仪器)公司的TM S320F28335芯片,它是由TI公司的C2000系列DSP发展而来的,属于C2000系列DSP的高端产品[10]。TMS320F28335采用高性能的32位CPU,系统主频高达150MHz,并且拥有GPIO、PWM、ADC、SPI、SCI、I2C和CAN等丰富的外设接口。此外,它的FPU完全支持IEEE-754单精度的32位浮点格式,可以用来进行单精度浮点数运算。TMS320F28335强大的数字信号处理功能以及丰富的外设接口使得它非常适合用于交流伺服电机的控制。
为实现上位机软件和控制电路之间通过RS-232串口进行通信,设计中使用了MAX3232芯片来实现DSP的SCI端口和RS-232串口之间的转换。MAX3232是MAXIM公司推出的可实现真正RS-232性能的低功耗收发器。该器件使用简便,外部仅需要4个0.1μF电容。其内部电源由两路稳压型电荷泵组成,只要供电电压在3.0V至5.5V以内,即可提供+5.5V和-5.5V的输出电压。
CS5532是CIRRUS LOGIC公司的一款24位分辨率的AD转换芯片,被广泛地应用于称重仪表和过程控制等领域。CS5532拥有两个模拟输入通道,提供多种电源供电方案,不仅能够测量单极性或双极性的电平信号,还可以通过寄存器配置多种通道增益。该芯片提供了和SPI兼容的三线串行接口,能够很方便地和微控制器进行数据通信。
伺服驱动器的SRV-ON和ALM端子需要外接隔离器件,这里选用的是FAIRCHILD公司的4N25光电耦合器。由于4N25前端输入电流的典型值须要达到10m A,在该电路中选用了TI公司的SN74LS245作为电流驱动芯片。SN74LS245的灌电流可达24m A,拉电流可达15m A。该器件拥有8个A通道和8个B通道,并且可以通过引脚配置A、B通道之间的传输方向。因为SN74LS245的IO电压是5V以及伺服驱动器的PULS2和SIGN2端子需要5V的控制信号,所以设计中使用了MAX3002将DSP的3.3V逻辑电平转换为5V的逻辑电平。MAX3002是MAXIM公司的双向电平转换器,最高数据传输速率为20Mbps。该转换器有8对双向转换通道,并且可以通过两个引脚来分别配置转换器两边的逻辑电压。
2.4 电机控制的PID算法
控制系统中采用的是模糊自整定PID控制算法,其原理[11]如图4所示。图中的rin表示给定的控制量(位移或载荷),yout表示系统中实际测量到的物理量(位移或载荷),E表示rin与yout之间的误差量,Ec表示误差变化率。
模糊自整定PID控制算法结合了模糊控制和PID控制的优点,不依赖被控对象的精确数学模型,具有调节速度快和适应能力好等特点[14]。该算法运用了模糊控制器的原理,将具体的操作参数用模糊集来表示,在系统运行中根据实际反馈信息并依据模糊控制规则进行模糊推理,不断调节PID参数以实现控制目的。
在实际运用时,系统先根据给定值和采集值计算出E和Ec,并将E和Ec进行模糊化处理,然后通过模糊推理计算出PID的三个参数(比例系数、积分系数和微分系数)的调整值,再根据调整值计算出当前PID参数,最后计算出PID控制输出值。
2.5 软件控制协议
为能够简便、可靠地操作伺服电机,设计中采用了通信线路简单且使用广泛[15]的RS-232串口来实现上位机和下位机之间的数据通信。上位机软件通过RS-232串口向DSP发送控制指令,其主要功能包括启动/停止电机,设置控制模式(位移控制/载荷控制),设置加载参数等。
图5描述的是上位机软件和DSP控制器之间的控制协议采用的指令帧格式。在该指令帧中,采用了参数长度可变的设计方式,以适应不同的操作指令所需不同参数的情况,并且可提高指令的传输效率。当指令中含有多字节参数时,须按照高字节在前的方式传输。
指令帧中HEAD1和HEAD2是固定的指令帧帧头,BYTE_CNT表示这一字节后所跟的字节数,CMD是具体的指令。在CMD和CHECK之间的是指令所带参数,该参数根据指令的不同会有不同的意义和长度。最后的1字节CHECK是校验值,用于检查接收到的数据在传输过程中是否发生错误。该协议中采用的校验值计算方法是对CHECK之前的所有字节进行累加求和,然后取累加和的最低字节作为校验值,如下所示:
下位机DSP在接收到上位机软件发送的指令后,先计算校验值并和接收到的CHECK值进行比较。若两个校验值相等,则表明指令接收正确;若两个校验值不相等,则表明指令接收错误。当下位机指令接收正确后,DSP通过串口向上位机回复1字节CMD值以表明指令接收成功。例如,假设电机使能指令为SRV-ON,其内容为“0x F0,0x0F,0x02,0x80,0x81”,其中HEAD1和HEAD2分别为0x F0和0x0F,BYTE_CNT为0x02,CMD为0x80,无参数且校验值为0x81。当下位机在正确接收到SRV-ON指令后,DSP会向上位机回复0x80;当下位机接收指令错误时,DSP会忽略此条指令,不采取任何操作。
3 伺服系统在生物材料低周疲劳测试中的应用
作者将研制的交流伺服电机控制系统应用到了生物材料低周疲劳测试装置中,其结构如图6所示。
该装置主要由伺服电机、减速器、力传感器、位移传感器、夹具、旋转电机和机械部件等组成。该装置通过伺服电机转子驱动一台减速器使得夹具可以上下运动。当夹具稳固夹持测试材料,并且控制电机进行往复旋转后,可对被测材料加载拉力和压力。伺服电机的转向决定加载的力为拉力或压力,电机的转速决定拉压疲劳的频率。旋转电机可带动与之连接的夹具转动,对被测材料施加扭力,由此进行材料的“拉-压-扭”复合疲劳试验以模拟在体的受力环境。
力传感器用于检测装置对测试材料加载的拉力或压力的大小,位移传感器用于检测材料在纵向上被拉伸或压缩的距离。力传感器和位移传感器的输出端经相应AD转换模块连接到DSP控制器上,可分别构成控制系统的载荷反馈回路(载荷环)和位移反馈回路(位置环)。利用模糊自整定PID算法,并通过载荷环和位置环的反馈作用,进行实时调节从而提高控制精度和系统的可靠性。该装置的载荷控制测试数据如表1所示,位移控制测试数据如表2所示。
从表1中可以看出,设定载荷在100N~500N时拉力和压力的平均误差率都在1%以内,控制精度较好。当加载力较小时误差率较小(小于1.0%),当加载力较大时误差率较大(1.0%~1.3%),这说明装置在测试应力较小时的控制效果优于测试应力较大时的控制效果。
从表2中可以看出,设定值在1mm-5mm时拉伸和压缩的平均误差率都在1%以内,并且每组设定值的位移误差率都在1%以内,控制精度较好。
4 结束语
文中介绍的交流伺服电机控制系统采用位置模式,通过高性能DSP芯片TMS320F28335向伺服驱动器发送指令脉冲来进行控制。控制电路中采用了位置反馈和载荷反馈的大闭环设计,并且在DSP控制程序中应用了模糊自整定PID控制算法,可对电机运行状态进行实时控制。上位机软件和下位机DSP通过RS-232串口进行通信,通信线路简单、易于配置,可以在线修改试验参数。此外,控制协议中采用了参数可变且带校验值的指令帧格式,具有通信效率高和传输可靠的特点,提供了一定的参考价值。
摘要：外科植入体须要具有良好的生物力学性能,要能够在人体内长期、稳定地工作,抵抗磨损和疲劳破坏。文中提出了一种用于生物材料低周疲劳实验的交流伺服电机控制系统,该系统主要包含了硬件电路板和上位机软件。该系统采用位置模式向伺服驱动器发送指令脉冲,在DSP控制程序中应用PID算法,通过载荷反馈和位置反馈实现系统的闭环控制。上位机软件通过RS-232串口和DSP控制器进行通信,可实现远程控制和在线修改试验参数。控制协议中采用了参数可变且带校验的指令帧格式,具有传输效率高和传输可靠的特点。