（载运工具运用工程专业论文）应用于减振器试验台的测控系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国高速列车的迅速发展，对乘坐的舒适性提出了更高的 要求，因此，作为保证机车运行平稳的关键部件之一减振器，对其 性能的要求也相应提高。阻尼系数作为减振器的重要参数，它的测 量对于现代铁路也有至关重要的意义。现有的实验规范以测试示功 图为主要目的，国内。试验台多为机械式，都存在许多不合理之处， 本文改进的试验方案为闭环交流伺服控制方式，可读取作动器作用 于减振器的力和位移的数据，并据此绘制出示功图，计算出彼测对 象的阻尼系数、刚度等参数。 。 本文在介绍减振器试验台测控系统结构和原理的基础上，对系 统的组成、硬件、软件和交流伺服作动器的工作原理和控制方法进 行了详细的分析和说明。同时对测试数据的处理方法也进行了详细 的介绍依据g b5 5 9 9 8 y 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定 规范由软件编程计算出被测对象的阻尼系数、刚度等参数，为提 高控制系统的频响，克服伺服电机本身的延时，且因常规p i d 控制 器无法满足高精度伺服控制系统对跟踪性能的要求，为此在常规 p i d 的基础上加上了一个前馈控制，即前馈p i d 作为控制策略，在 高精度伺服系统中，前馈控制可以用来提高系统的跟踪性能，并且 对各种非线性干扰起到抑制作用。试验结果证明：本测控系统的硬 软件设计和所采用的控制策略是非常有效的。 关键词减振器试验台；机电作动器；p i d 前馈控制：实时控制器； 示功图：阻尼系数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t a st h er a p i d l yd e v e l o p i n go fo u rh i g hs p e e dt r a i n ，w eh o p em o r e c o m f o r tf o ro u rs e a t i n ge n v i r o n m e n t ，d e o s c i l l a t o ra sak e yc o m p o n e n t o ft h et r a i nt ok e e pt h et r a i nr u n n i n gs m o o t h l y , w em u s ti m p r o v ei t s n a t u r ec o r r e s p o n d i n g d a m p i n gf a c t o r sa st h ei m p o r t a n tc o e f f i c i e n t s ， t h em e a s u r e m e n to fi ti sa l s ov e r yi m p o r t a n tt om o d e r nr a i l r o a d t h e e x i s t i n gt e s tc r i t e r i o ni st od r a wi n d i c a t o rd i a g r a m s ，m o s to fe x i s t i n g t e s ts t a n d sa r em e c h a n i c a lt e s ts t a n d s t h e yh a v eb e e nf o u n d i r r a t i o n a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei m p r o v e dt e s tm e t h o dr e a d st h e d a t ao ff o r o ea n dd i s p l a c e m e n to fa c t u a t o rw h i c hi sa d d e do nd a m p e r ， i ta l s om e a s u r e sp a r a m e t e r ss u c ha st h ed a m p i n gf a c t o r s ，a n d i n d i c a t o rd i a g r a m sb yu s i n gc l o s e d - l o o pa cs e r v oc o n t r o ls y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h i s d e o s c i l l a t o rt e s ts t a n d st e s ta n dc o n t r o ls y s t e m i ta l s oa n a l y s e sa n d e x p l a i n s t h ew o r k t h e o r y a n dc o n t r o lm e t h o do f c o m p o s i t i o n ， h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n da cs e r v oa c t u a t o ro ft h es y s t e mi nd e t a i l a t t h es a m et i m et h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s oi n t r o d u c e dt h em e t h o do f p r o c e s s i n gt e s t d a t a b a s e do ng b5 5 9 9 8 5 s t a n d a r do fn a t u r e a s s e s s m e n ta n dt e s ta u t h e n t i c a t i o ni ne q u i p m e n td y n a m i c s ，t h r o u g h p r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o nt h ep a r a m e t e r ss u c ha sd a m p i n gf a c t o r sa n d r i g i d i t ya n ds oo n b e c a u s et h en o r m a lp i dc o n t r o l l e rc a nn o tf u l f i l t r a c i n gp e r f o r m a n c eo ft h eh i g hp r e c i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m ，w e a d df e e d f o r w a r dc o n t r o lo nn o r m a lp i d i no r d e rt oi m p r o v et h e f r e q u e n c yr e s p o n do ft h ec o n t r o ls y s t e m a n do v e rc o m ed e l a yo f e l e c t r i ce n g i n e ，t h ef e e d f o r w a r dp i db e c o m et h ec o n t r o ls t r a t e g y i n h i g hp r e c i s i o ns e r v os y s t e m ，f e e d f o r w a r dp i dc a nb eu s e dt oi m p r o v e t r a c i n gc a p a b i l i t y ，a n d r e s t r a i nn o n l i n e a rd i s t u r b t h er e s u l to f e x p e r i m e n tp r o v e d t h a th a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h ec o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s t r a t e g yo ft h i st e s ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ev e r ye f f e c t i v e k e yw o r d s ：d e o s c i l l a t o r t e s t s t a n d ；e l e c t r o m e c h a n i c a la c t u a t o r ； f e e d f o r w a r dp i dc o n t r o l ；r e a lt i m ec o n t r o l l e r ；i n d i c a t o rd i a g r a m ； d a m p i n gf a c t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 减振器是机车车辆及其它交通运输工具的重要部件，其阻尼参数匹配合理 与否直接影响机车车辆运行质量，故常常要对减振器进行性能试验1 2 ”。 铁路系统用悬挂系统经历了从被动悬挂系统到主动悬挂系统的发展过程， 国外已经在主动、半主动悬挂系统研究方面取得了一定的成就，且近年来研究 仍然非常积极嘲。近几年，我国从引进摆式列车以来，也开始了对铁道车辆主 动控制的研究，不过现场8 0 9 0 还是使用被动悬挂系统。 研究新一代悬挂减震系统与提高现有减振器的品质具有同样重要的意义。 国内外都对减振器作了大量的研究工作0 7 h 2 ，研究方向归纳起来有以下几点： ( 1 ) 对减振器高频特性的研究； ( 2 ) 对减振器试验方面的研究； ( 3 ) 对减振器噪声问题的研究； ( 4 ) 对减振器非线性问题的研究； ( 5 ) 对减振器温度特性的研究； ( 6 ) 对减振器仿真特性的研究。 目前，国内外已经研制成功并且投入运营的用于提速和高速列车的油压减 振器主要有戚墅堰机车车辆工艺研究所铁马科技生产的q y 型油压减振器，青 岛a l s t o m 公司组装的d i s p e n 减振器，已经得到广泛应用，但是耐久性比 较差，性能有待于进一步提高。而在此之前，我国不得不花大量资金进口国外 油压减振器，我国曾经进口的铁路油压减振器主要有荷兰的k o n i 减振器、法 国的d i s p e n 减振器和德国的s a c h s 减振器l l ”。 关于减振器的研究，早期，前苏联的车辆动力学及其减震研究走在前面。 荷兰k o n i 公司研究和开发的车辆通用和抗蛇型减振器也已经有几十年的历 史，该公司的液压减振器被世界各地的铁路公司和机车车辆制造商所采用，处 于世界领先地位。资料显示表明，k o n i 公司在减振器及其试验研究方面作得 最全面，他们的产品几乎面向所有的交通运输行业。从k o n i 公司提供的产品 说明和试验报告来看，k o n i 公司的辅助试验项目非常丰富，包括减振器出厂 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 试验、减振器仿真、调整等，其中减振器试验台采用液压闭环控制方式，主要 以测试阻尼特性为主，国内的减振器试验台则以机械式为主，以测试示功图为 主要目的。 根据行业标准，减振器试验一般有以下四个方面的内容： ( 1 ) 示功图试验：减振器的阻力与位移试验( f s ) ； ( 2 ) 速度特性试验：减振器的阻力与活塞速度试验( f v ) ； ( 3 ) 温度特性试验：减振器的阻力与试件温度试验( f - t ) ； c 4 ) 耐久性试验：工作循环l x l 0 6 次以后，减振器的阻力与位移试验 ( f s ) 。 1 2 国内外减振器试验台测控系统应用和发展现状 减振器试验的目的在于测试减振器的性能参数，同时按照设计要求调整阻 力系数的大小，对于新造的或经过检修的减振器都必须经过试验方能使用。 1 2 1 国内现有试验方法的局限性 目前，国内常见的减振器试验台形式有以下两种，如图1 1 所示。图1 - 1 ( a ) 为曲柄滑块形式，由电动机作为动力源，通过传动系统减速后，带动一套 曲柄滑块机构，对减振器实现正弦波激振。由扭力杆测出激振力的大小，使减 振器的活塞作上下运动。减振器的下端固定在曲拐上，曲拐装在一根测力扭杆 上，利用扭杆变形，测量减振器的阻力大小。试验时，曲拐上部的记录笔在记 录板上画出一个示功图。记录台的记录笔在左右方向的偏移量，表示扭杆扭力 的大小，也即是表示减振器阻力的大小，最后绘出减震力示功图。它存在很多 缺点： ( 1 )激振频率范围较窄，高低频试验受到限制，只能采用单一的正弦 波激振，不能绘制速度特性曲线，示功图在理论上也只是一个近似的图形，利 用这种设备测试减振器时，不能真实的反映减振器在其允许的速度范围内工作 的阻力变化规律； ( 2 )试验方法不科学，这种试验设备本身的精度不高，测量误差大， 并且需要经常调整，这种试验方法的数据记录与分析不科学、不严谨； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 )根据示功图测得的数据，计算减振器的阻尼系数公式为 c = 只。，巧。= k 。( 4 + 4 ) ，s q( 1 一1 ) 首先，该公式是在认为阻尼特性是在线性的条件下得出的，实际上阻尼特 性为非线性，存在二次环节，而且不同的减振器因结构而异； 其次，最大速度的取值是在未考虑缸体等质量的情况下，从公式推导出来 的，未考虑一些非线性环节； ， 第三，示功图的最大位移处，不一定是阻力最大处，误差的量级无法确定， 而且，除非取滑块的质量为零时，才能成立； 第四，激振作用不仅作用在减振器上，而且是作用在减振器、扭杆、曲柄 滑杆等组成的系统上，引入了很多非线性因素。 采用上述办法测出的阻尼系数的准确度无法确定，没有实用价值，使得现 场只能根据示功图来进行试验性比较，测出的阻尼特性不准确，无法调整阻尼 系数 2 3 1 - 2 4 1 。所以，机械式试验台应该被淘汰。 上下曲柄滑块机构如图1 1 ( b ) 所示，这种结构是第一种结构的变形。使 用上激振源，进行速度特性和示功特性试验。下激振电机不动，构件7 、8 、9 不动，上激振电机经过减速机构带动3 、4 、5 ( 夹具) 、6 ( 减振器) 运动，电 机调速可以产生几种频率。作耐久性试验时，上激振源不动，由下激振源带动 6 、6 ，曲柄，8 的频率由调速电机进行调整。 、 若要曲柄滑块实现简谐振动，要求曲柄和连杆长度比值为l ，在其他情况 下，位移、速度和加速度均为非和谐的周期运动，此时，无法模仿在线路上运 行时的随机波，速度和力的大小也不好控制，而且，现有的国产试验台其曲柄 和连杆长度比值为o 2 左右。 液压减振器的试验，顾名思义其驱动系统为液压伺服系统。但是液压系统 本身的油液容易由自身和外界引起污染，这种污染可以堵塞引起液压系统故障， 污染物进缸也会对液压缸侵蚀两缩短其寿命；同时液压伺服系统在运行速度较 慢时会出现爬行现象；且其需要较高的维护费用。 综上所述。现有机械减振器试验存在的种种偏差，使测定的阻尼系数，不 能正确地表征被测液压减振器真实的阻尼特性，究其原因，是现有测试方案的 立意有误，而且试验中采用的变换原理复杂了，正确的做法是试验测出的是真 实的特性，至于研究和近似中如何近似是另一回事，试验不能按照某种假设来 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 凑数。而试验中采用的变换原理应该直接，越简单越好，将测试方案搞得很复 杂，又不得不简化的近似处理，这种方案不是一个好方案。 1 i 1 2 2 本次设计的改进及其意义 就目前而言，减振器试验台按照其作用形式分为机械式、液压式、交流伺 服式和其他形式；按照运动控制方式可以分为手动式、开环式、闭环式等方式。 液压伺服系统的油液主要由于下述原因很容易造成油液污染，而实际经验 表明，油液污染是导致伺服系统不能正常工作的主要原因 2 f l 。 中 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 固有污染物。液压元件在制造、装配、运输过程中不可避免地会造 成污染，尽管这种污染会随着无尘化装配而不断减少，但一些大型液压件如油 箱、管件、冷却器、蓄能器等仍然含有大量的潜在污染物。另外，液压系统组 装过程中也将产生大量污染物。如焊渣、磨屑、氧化铁皮、铁锈、水等。 ( 2 ) 内部生成污染物。液压伺服系统运行过程中，油液中的污染颗粒会 产生多种磨损现象。如颗粒夹在相邻两活动面之间会产生磨料磨损，颗粒和高 速流冲蚀元件表面会产生冲蚀磨损。 ( 3 ) 外引污染物。液压缸往复运动过程中，黏附在活塞杆上的细微污染 物会通过活塞杆密封而进入系统。 由于机械式和液压式存在不同程度上的缺陷，所以本设计采用闭环交流伺 服控制方式。本试验台可直接测出在可调行程和往复频率的条件下对应的f 和 v 值，同时测出其位移参数，绘出示功图，根据示功图和g b5 5 9 9 8 5 铁道车 辆动力学性能评定和试验鉴定规范计算出减振器的阻尼系数，及其它参数。 试验台动作指令由管理计算机发出。通过自己设计的数据采集系统进行各种所 需数据的采集，近而反馈到控制试验台调节对被测试件所施加的力。 1 3 本文主要工作和研究内容 本论文的主要工作是对新一代减振器试验台测控系统的研究。在参考国内 外有关资料的基础上，重点从以下几个方面展开论文工作： ( 1 ) 交流伺服系统中机电作动器的设计说明及其控制规则前馈p i e ) 控 制器的设计： ( 2 ) 数据采集系统即a d 、d a 及其接口逻辑的设计； ( 3 ) 所采集的各种数据的显示及其由此绘制示功图并且被测试件所需 参数的计算软件编程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章试验台结构和系统组成 本文所设计的减振器试验台，可以对阻尼器的阻尼系数、弹簧刚度和其 它零部件的相关参数进行测量。传统的减振器试验台的执行机构是液压伺服系 统，但由于液压伺服系统在运行速度较慢时会出现爬行现象，而且液压伺服系 统比较复杂，需要油源和管路，不可避免地带来油污染问题和维护问题，随着 交流伺服系统和计算机控制技术的发展，交流伺服驱动技术得到了极大的发展， 目前在机器人与操作机械手的关节驱动，以及精密数控机床等方面得到越来越 广泛的应用，而以此为基础的机电作动器也在铁路和试验领域得到了广泛的应 用，与液压作动器相比，机电作动器具有结构简单、低速性能好、无污染、无 需经常维修等优点。 2 1 试验台的基本结构和系统组成 2 1 1 试验台的基本结构 本文所设计的试验台结构示意图如图2 一l 所示，由机架、作动器、力传感 器和被试对象组成，其中，作动器、力传感器分别固定在支架的左右两侧，被 测对象通过工装安装在作动器与力传感器之间，试验时，由作动器带动被测对 象进行需要的往复运动，作动器内部有位移传感器可以测出作动器的位移，同 时由固定在支架上的力传感器测出作动器输出的拉力，由计算机记录被试验对 象的力和位移信号，根据g b5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规 范，通过编程可以绘出示功图并计算出减振器的阻尼系数、弹簧刚度和其它被 试对象的相关参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 一l试验台结构示意图 2 1 2 试验台的系统组成 该试验台测控系统的结构如图2 2 所示，首先由管理计算机控制实时控 制器，实时控制器由所采集的数据和管理计算机的指令控制交流伺服电源，交 流伺服电源驱动交流伺服电机做往复运动，交流伺服电机作用于被测对象，再 由力和位移传感器测试出交流伺服电机输出的拉力和位移，由数据采集系统对 传感器测得的力和位移数据进行采集，并把采集到的数据送给管理计算机和实 时控制器，计算机用所采集的数据可以计算出被测对象所需测得的系数，并且 画出示功图。 图2 2试验台测控系统框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 试验台的加载方案 试验台加载装置的结构形式有很多种，但是最常用的有以下几种【2 习【2 6 】： ( 1 ) 曲柄滑块机构。即用滑块机构将旋转运动转化为往复直线运动。当 前在车间使用的减振器试验台就是这种机构。该机构的优点是价格便宜：缺点 是：易磨损，速度难以控制和测量，因而不适用于自动测量的系统中。 ( 2 )液压缸加载。采用液压加载，工作性能可靠，价格适中，可以实现 无级调速、惯性小、动作反应快，能快速实现制动和频繁的换向。存在的问题 是液压传动对于油温变化非常敏感，而且油液容易污染。同时液压缸活塞杆的 运动为直线运动，线性速度的测量不方便，特别需要解决好行程末端的瞬时速 度测量问题。 ( 3 )用凸轮机构实现直线往复运动。采用凸轮机构可以精确的实现预定 的运动规律，因而对速度的测量和控制也较简单。但同时，凸轮机构不能传递 动力。故而凸轮机构一般用于受力不大需要精密传动的场合，多用于精密机械。 ( 4 )用液压马达配合螺旋机构实现直线往复运动该方案包括了液压传 动的优点，对于速度的钡量和转换也非常容易。螺旋传动存在着效率低、磨损 大等方面的缺点。螺旋机构只能在水平方向上，不能用于垂直方向，以防止停 机时螺母下滑而造成碰撞，损坏机械。 ( 5 )齿轮齿条机构。采用齿轮齿条传动，具有传动效率高，结构紧凑， 工作可靠，寿命长及传动平稳等特点。 综上所述，作为执行机构，采用机电控制是有效的方式，它可以实现水平和 垂直两个方向上的位移。结合本试验台的性能要求，全部采用双向机电作动器 2 3 试验台主要部件 双向机电作动器式减振器试验台，含有动力机构、传动机构和直线往复运 动的执行机构，并有连接在机座上的可调反力座，其结构特点为：所述的机座 为底座与立柱刚性连接成“l ”形机座，动力机构、传动机构和执行机构为一 体化的机电作动器，机座上设置一个用于驱使机电作动器在铅垂面转动的转向 机构，底座与立柱上各有一个用于锁定机电作动器的锁定机构，底座与立柱上 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 安装一个可调反力座。 由予在“l ”形机座上采用了旋轴式转向机构及锁定机构，可以方便地改 变试验方位，用一个作动器实现铅垂和水平两个方向的试验需求；可调反力座 及锁紧机构的设计，使得试验台适应性强且安装调试快捷方便：采用一体化机 电作动器兼做动力机构、传动机构和执行机构，其转动惯量小、传动钢度大、 输出推力大而稳定，故动态特性好、工作精度高，并由于一体化机电作动器的 动力机构可采用晶体管脉宽调制交频器控制的交流伺服电机，从而可在很宽的 工作范围( 最大工作速度与最小工作速度之比可达5 0 0 ) 内实现频率( 或速度) 、 振幅的连续无级调节：并且无油液泄漏污染、低噪声、低能耗。 转向机构的构成为：作动器机体两侧有一对对称的转轴，该转轴安装在机 座轴承上，轴承端部装有一个扇形大齿轮，且与一个小齿轮啮合，该小齿轮的 小齿轮轴通过轴承支撑在机座上，小齿轮外端安装手轮。 机电作动器的锁定机构的构成为：作动器机体两侧有一对对称的定位凸耳， 凸耳端面上有一个圆锥孔，该圆锥孔可插入定位销的圆锥销头。 可调反力座的构成为：反力座的底板置于机座设置的导槽两侧的导板上， 导槽内的丝杆与固定在反力座底板下方的丝杆螺母啮合，丝杆的一端经一对啮 合的锥齿轮与手轮轴连接。 可调反力座设有锁紧机构，该锁紧机构的构成为：机座的导板下方设置压 板，压板通过一个销轴铰结在压杆中部，压杆的一端用另一销轴铰结在反力座 底板的下凸耳上，压杆的另一端通过螺栓与机座导板上方的反力座底板连接。 可调反力座的位置采用丝杆传动机构来调节，并用可调反力座底板下的锁 紧机构将其锁紧在机座的导板上，从而本减振器试验台能适应多种尺寸的减振 器试验的需要。 2 4 减振器试验台的优势 本减振器试验台是用于减振器性能试验的机电作动式减振器试验装置，尤 其涉及一种用于机车车辆及其它交通运输工具减振器性能试验的双向机电作动 式减振器试验台。 减振器是机车车辆及其它交通运输工具的重要部件，其阻尼参数匹配合理 与否直接影响机车车辆运行质量，故常常要对减振器进行性能试验。减振器试 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 验台首先要具备向减振器施加推拉力并作直线往复运动的功能，其工作速度的 范围是在每秒0 o o l 米每秒0 5 米之间连续可调，同时还能对往复运动的行程 和频率进行控制，也可以对作用力的大小进行测试。现有技术提出的车辆减振 器试验台，如采用电机经皮带传动驱动曲柄连杆机构，并以曲柄连杆机构作为 推拉往复运动的执行机构。被测减振器垂直安装，其下端与曲柄连杆机构的连 杆上的滑块连接，上端与一框架式结构的横梁连接。用改交上部横梁高度的方 式来适应不同长度的被测减振器。该试验台所用皮带传动为柔性传动，而且是 靠摩擦传递动力，故动态性能较差、控制精度较低、效率不高，横梁的操作不 方便，且没有设置水平横置减振器的试验工况；再如铁道车辆笫3 8 卷( 2 0 0 0 年第3 期) 彩色插页所载j 9 5 型双向油压减振器试验台，该试验台执行机构为 两套油缸活塞，油压驱动，为实现垂向和横向两个方向的试验工况，采用了两 套油缸活塞执行机构，除机械、电气装置外还有一套液压油供给系统，整个系 统复杂，往复运动的速度范围较难满足实际需要，难免油液泄漏造成污染及噪 声污染，该减振器试验台的往复运动的频率不能无级调节。 本试验台由于采用双向机电作动器作为执行机构，其动态性能好、工作精度 高、测试范围宽、适应性强、噪声低、无污染、操作方便。 2 5 本章小结 本章总体介绍了本减振器试验台的总体结构和系统组成，并简要说明了此试 验台内部的主要组成及其优势。也论述了目前减振器所采用的加载方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章机电作动器基本结构和控制原理 减振器试验台中采用交流伺服系统，交流伺服系统目前在机器人与操作机 械手的关节驱动，以及精密数控机床等方面得到越来越广泛的应用。其主要原 因是交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，具有体积小、过载能力强、输出 转矩大、不存在电刷磨损、无需经常维修等优点，而且由于无电刷压降因素的 影响，可以达到很低的转速，并且具有硬的机械特性。对于交流伺服系统的性 能要求，从动态和静态特性品质来看，主要有： ( 1 ) 快速跟踪性能好，即系统对输入信号的响应快，跟踪误差小， 过渡过程时间短，且无超调( 或超调量小) ，振荡次数少 ( 2 ) 稳态精度高，即系统输出与给定值间稳态偏差小，定位精度高，且 有相当大的定位( 制动) 力矩。 3 1 交流伺服系统的组成和工作原理 3 1 1 简单交流伺服系统工作原理 简单交流伺服系统的基本工作原理与组成为：一个简单的伺服系统，通常 是由位置检测反馈构成的闭环位置控制伺服系统，其组成框图如图3 一l 所示嘲。 图3 - 1 简单伺服系统组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 该伺服系统的最基本工作原理是：首先输入与需要到达的目标位置相对应 的给定信号以，由此信号与位置检测装置测量到的实际位置信号占相比较，其 偏差为皖= 疋一j ，通过控制器的算法运算，求出为消除该偏差所需施加于功 率变换器输入端的控制量u ，经过信号转换与功率放大，驱动伺服机构，使得 误差正逐渐减少，直至消除。 ( 1 ) 位置检测装置，是伺服系统的主要组成部件，位置检测传感器的合 理选择及其精度，对于一个伺服系统的静态及动态性能能否达到要求，起着重 要作用。目前常用的位置测量传感器有感应同步器、光栅、磁尺、光电脉冲发 生器与编码盘等。 ( 2 ) 功率变换器，它是伺服系统中实现高性能伺服电动机调速的关键设 备。通常除了具有一定输出功率和调频调压精度以外，还要求频带宽，热能稳 定性好，抗干扰能力强，有过流保护和限流功能。由于目前高性能伺服系统均 采用交流伺服电动机作为执行机构，因此，功率变换器也大多采用p w m 矢量 控制交流变频装置。功率器件有大功率晶体管( g t r ) ，大功率可关断晶闸管 ( g ，r o ) 和场控型开关器件( i g b t ) 等。 ( 3 ) 伺服电动机，一它是构成伺服系统的主要部件。系统要具有高的伺服 精度和定位精度，则伺服电动机必须要有良好的低速特性，伺服系统的快速性 还要求伺服电动机必须具有转子转动惯量小、加速转矩大( 即大的过载转矩) 、 工作稳定性好等性能。目前被广泛采用的有感应式交流异步电机、永磁交流伺 服电动机等。 ( 4 ) 控制器。它通常是由微处理芯片，如微处理器和数字信号处理器构 成。随着微电子技术的进展和众多高级控制策略的研究成果，使其可以做到体 积小，功能强，成本低，控制性能好。 3 1 2 减振器试验台中的交流伺服系统工作原理 高性能的交流伺服系统通常具有位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环 结构形式。此减振器试验台中的交流伺服系统也是采用位置、速度和电流反馈 的三闭环结构形式，其组成框图如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图3 - 2 减振器试验台伺服系统组成 该减振器试验台交流伺服系统工作原理为：首先输入与作动器运动所需要 达到的目标位置对应的给定信号疋，由此信号与位置检测装置测量到的实际位 置信号占相比较，其偏差为皖= 瓦一艿，通过位置调节器( 位置控制环) ，求出 为消除该偏差所需施加于功率变换器输入端的控制量，通过功率变换器控制交 流伺服电机进行正转或反转，控制机电作动器运动；使得误差逐渐减少，直至 消除为止。功率变换器内部包括两个控制回路，即速度控制环和电流控制环。 加上位置控制环，整个控制系统包括3 个串联的控制回路。其中，电流环和速 度环均为内环。电流环的作用是： ( 1 ) 改造内环控制对象的传递函数，提高系统的快速性； ( 2 ) 及时抑制电流环内部的干扰； ( 3 ) 限制最大电流使系统有足够大加速转矩，并且保障系统安全运行 速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。位置环的作 用主要是保证系统静态精度和动态跟踪的性能，直接关系到交流伺服系统的稳定 性与高性能运行，而且它是反馈主通道。 3 2 机电作动器基本结构及其控制原理 机电作动器是以电机提供动力，经传动件到执行机构，最终将旋转运动转 化成直线往复运动。现有的技术如电作动器采用多个平行的球螺杆通过传动件 连接到电动机，与多个球螺杆相匹配的球螺母，一个把多个球螺母固结为一体 的滑板以及一根固定地安装到滑板上的输出杆，该电作动器螺旋副多，结构松 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 散；且为单纯的螺旋传动，螺杆与螺母的螺牙直接啮合，啮合处为滑动摩擦， 传动精度低、功率损耗大、效率低也有采用油压驱动的作动器，但是需要液 压系统的支持，速度响应和运动精度都较差，且油液易泄漏污染环境2 扪。 3 2 。1 机电作动器基本结构 减振器试验台中的机电作动器基本原理如图3 - 3 所示，交流伺服电机的输 出轴通过减速齿轮与丝杠连接，当交流伺服电机进行正向和反向旋转时，丝杠 也进行相应的旋转运动，而螺母则带动活塞进行前进和后退的往复运动。该机 电作动器的电机功率为5 k w ，最大出力为2 5 0 0 k g ，最大行程为2 0 0 m m ，频响为 3 h z ，所需要能源为交流电源2 2 0 v 或3 8 0 v 。 活塞 螺母 齿轮 丝杠 齿轮 图3 - 3 机电作动器基本原理 3 2 2 减振器试验台所用机电作动器部件特点 此机电作动器由电机经传动机构驱动执行机构，将旋转运动转化成直线往 复运动，其结构特点为：传动机构为齿轮传动，执行机构为行星滚柱丝杠副及 套装在该丝杠副上的往复作动套杆。 执行机构行星滚柱丝杠副与现有技术相比具有的有益效果为：电机通过恒 定速度比的齿轮减速传动，与行星滚柱丝杠副，结构紧凑，传动钢度大，转矩 稳定；行星滚柱丝杠副为齿形啮合的无间隙滚动摩擦，承载能力强，传动效率 高，运动精度好，正反转往复运动仍能精确定位电机和行星滚柱丝杠副在齿 轮传动机构的同一侧，三者的机体刚性连接成一体，里“u ”字形 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 上述的齿轮传动机构的低速轴与行星滚柱丝杠副的丝杠为一体；齿轮传动机 构的高速齿轮轴有一带键槽的中心插孔，带键的电机轴头插入中心插孔，实现 电机与齿轮传动机构的连接。这就进一步确保了作动器的有益效果。作动套杆 在行星滚柱丝杠副机体的内腔由键和键槽组成。作动套杆与行星滚柱丝杠副机 体内腔接触的外表面沿轴向开有消除活塞效应的通气槽。电机可采用晶体管脉 宽调制交频器控制的交流伺服电机，可在工作范围内实现频率( 或速度) 、振幅 的连续无级调节，效率高、噪音低。 3 2 3 作动器丝杆的选择 机电作动器是利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。丝杠与螺母之间为 无隙连接，运动精度高，经过正反转后仍能精确定位，传动效率高，它还能承 受颠簸和振动，只需要很小的维护，滚珠丝杠在机床直线迸给运动中普遍采用。 由于滚珠丝杠是滚珠和滚道的点接触传力，接触应力较大，承载能力相对较小。 为此，出现了行星滚柱丝杠( p l a n e t a r yr o l l e rs c r e w s ) 。行星滚柱丝杠采用了齿 形啮合的面接触传力，丝杠的承载能力大大加强，而且具有运动精度高，丝杠 寿命长的优点。因此，减振器试验台的作动器采用行星滚动丝杠。图3 _ 4 为德 国矾a 公司生产的行星滚动丝杠示意图，它是由丝杠轴、行星螺纹滚柱、螺母 外圈、调整垫和端板等组成。 图3 4 行星滚动丝杠示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 3 机电作动器总体设计方案 机电作动器是将旋转运动转化成直线运动，工作的形式有两种，一种是电机 带着螺母旋转，螺母驱动丝杠，使丝杠直线运动；另一种是电机带着丝杠旋转， 丝杠驱动螺母，从而使螺母带着工件直线运动”。图3 5 是两种机电作动器方 案图，这两种形式的机电作动器在原理上是一致的，所以结构上没有本质上的 差异，在国外这两种结构的作动器均有使用。相对而言，螺母带动丝杠运动形 式结构更为简单、紧凑“”。在这一方案中，丝杠和螺母受力复杂，丝杠不仅要 承受前后作用的推拉力，而且丝杠的一端为自由端，这样丝杠的压杆稳定性性 能大大下降，在受到横向作用力时，丝杠不仅容易失稳，同时在螺母的内部产 生很大的内力，所以，在设计上要求保证丝杠系统有足够的刚度和强度。 螺母 惩。 t愀l il 厂、 iiiili ，厂、 烂 戚i l 州- l tt 。干、|? 。| 电机 图3 5 机电作动器方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 。4 机电作动器技术设计 3 4 1 总体设计及技术分析 根据减振器试验台的设计要求，机电作动器的主要参数是根据减振器试验台 的往复运动距离及特点所进行的作动器动态作动力分析和必要的设计余量确定 的。机电作动器的主要技术参数要求为： ( 1 ) 最大行程l o o m m ； ( 2 ) 最大运动速度3 0 0 r a m s ： ( 3 ) 最大工作载荷垃o k n 根据上面的方案分析和主要参数要求，进行了总体设计，机电作动器的设计总 图如图3 - 6 所示。主要由无刷伺服电机( 含角度位置传感器和制动器) 、行星减 速齿轮头、齿轮减速箱? 行星滚柱丝杠及机体等构成。作动器重约1 7 0 k g ，在 丝杠收缩时，作动器最小外形尺寸为1 0 4 0 r a m x 3 0 0 r a m x 4 0 4 r a m 。在总体设计时 主要考虑的问题有：? 抗横向力作用的考虑。由于机电作动器是卧装在剧烈震动的试验台上，机 电作动器不仅在轴向有2 0 k n 的作动力，同时在作动器的横向受到因震动而产 生的惯性力作用。根据总图，可以计算得到丝杠中位和在伸出、收缩1 0 0 m m 位 置时，丝杠螺母所受力矩情况( 见图3 7 ) 。在丝杠伸出1 0 0 m m 时，作用在丝 杠螺母上力矩达到最大2 删m 由于一般丝杠螺母内部行星滚柱长仅为约 8 0 m m ，这样作用在丝杠螺母内部行星滚柱上的力相当大。为此，本设计提出双 螺母方案，这样不仅使丝杠螺母受力得到改善，同时提高了使用的可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 _ 6 机电作动器总体图 i 仃7 0 4 3 0 1 7 0 i1 7 0 渺i 1 7 6 蝌m3 4 1 6 埘 m 0 1 3 8 0i 酣硪 4 0 6 l 蝌 l 酣m 2 舛3 l 斟 圈3 7 丝杠受横向力作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 丝杠的选择。根据设计要求，本机电作动器的作动力为2 0 k n 和速度为 3 0 0 m m s ，本机电作动器选择丝杠直径6 3 r a m ，丝杠导程2 4 m m 。这样丝杠螺母 所需驱动力矩为4 2 0 n o m ，螺母转动速度为3 2 5 r m 。同时通过计算得到丝杠抗 弯曲极限推力2 8 7 k n ，极限转速1 5 2 7 0r r a i n ，寿命1 70 0 0h ，安全系数7 。 电机的选择。由于试验台采用a c 2 2 0 v 供电，试验采用的电机为b 2 6 0 4 2 b ， 最高转速：3 1 5 0r m i n ，额定扭矩3 0n m ，额定功率9k w ；装车用电机为 b h 2 6 2 4 2 c ，最高转速36 0 0r m ，额定扭矩1 8 n m ，制动扭矩2 0 n m ，额定功 率7 5 k w 传动比的选择。传动比选为1 0 ，由电机所带传动比为5 的行星减速齿轮 头和传动比为2 的一级齿轮传动实现。 润滑的选择。所设计的机电作动器内的所有轴承和丝杠均用油脂润滑，齿 轮的润滑一般应采用稀油润滑，这样使作动器内部的润滑密封设计困难，考虑 到作动器的齿轮最大传动速度仅2 7 m s ，所以，齿轮润滑也采用油脂润滑。 传感器的选择。在进行电机交流伺服控制时，必须有电机的旋转位置反馈 信号，一般为相对位置信号。同时在试验台启动投入工作时。还需要知道作动 器丝杠的伸出绝对位置，在本机电作动器的设计中，则采取了在作动器活塞杼 上安装l v d t 位移传感器来检测作动器的输出位移值，并作为控制系统的反馈 信号使用。 3 4 2 主要零部件设计 ( 1 ) 机体。机体是作动器的支承体，作动器所受的外作用力都需由机体来 传递，受力情况复杂，所以国外的大部分机电作动器的机体均采用模锻钢结构。 由于本作动器尚处于试制阶段，故采用了采用成本较低的铸造结构，材料为合 金铸钢z g 3 5 c r m n s i ，最小壁厚1 2m m 。为了检验机体的设计强度，利用a n s y s 有限元分析软件，对机体进行了强度计算，计算得到的机体的v o n 2 m i s e s 应 力表明。最大应力值为5 5 9m p a 最大应力点出现在齿轮箱和齿轮箱加强筋 板的连接处，强度满足要求。 ( 2 ) 转动主轴。转动主轴为齿轮轴，材料4 0 c r n i ，齿轮模数2 5 r m ，齿 数6 4 。机体到丝杠的力传递是通过转动主轴迸行的，受力较大，而且比较复 杂，所以进行了强度计算。计算得到转动主轴在受拉情况时的v o n 2 m i e s e 最大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 应力为7 5m p a ，出现在转轴直径突变处；转动主轴在受压情况时的v o n 2 m i e s e 最大应力为5 6 柙a ，出现在齿轮啮合部。总的来说应力较小，强度满足设计 要求。 u f ，此位置“1 ”是 对的，予以保留； ( 3 ) 第二个时钟脉冲到来时，s a r 次高位置“1 ”，建立1 1 0 0 0 0 0 0 码，经d a 转换器转换成相应的反馈电u f = 5 1 2 + 1 0 2 4 2 2 = 7 6 8 v ，因为u 1 u f ，s a r 此位应 置“0 ”。即s a r 状态改为1 0 0 0 0 0 0 0 ； ( 4 ) 第三个时钟脉冲到来时，s a r 状态又置为1 0 1 0 0 0 0 0 ， 如此由高位到低位逐次比较，反馈电压u p 一次比一次逼近u “经过8 次比较之后， s a r 的数据寄存器中建立的数码1 0 0 0 1 1 l o l l p 为转换结果，此数码对应的反馈电压 u f = 5 6 8 v ，它与输入的模拟电压u i = 5 7 0 v 相差0 0 2 v 。此转换结果通过数字量输出 锁存器并行输出。 4 2 3 减振器试验台数据采集硬件部分简介 4 2 3 1 输入通道电路 外部模拟信号经多路选择转换开关选择后送入仪用放大器。放大器前后设 有单双端输入选择跨接器j 2 、j 3 和转换码制选择器j 4 。处理后的信号送入 模数转换器进行转换。仪用放大器选用美国阻公司的n a i l 8 ( 或1 2 8 等) 作为 信号处理放大器。该仪表放大器具有良好的交直流特性，并且可以方便的改变 放大增益。 4 2 3 2 模数转换电路 a d 转换电路选用美国a d 公司m 1 6 7 4 ( 或b b 公司的a d s 7 7 4 ) 作为本电路 的模数转换器件。该器件内部自带采保和精密基准电源，具有较高的转换速率 西南交通大学硕士研究生学位论文。第2 8 页 和转换精度a d 转换开始需由程序启动。其转换状态和结果也需由程序查询 来完成。 4 2 3 3 数模转换电路 模拟量输出部分由d a 转换器件( a d 7 5 3 7 ) 和相关的基准源、运放、阻容 件和跨接选择器j 5 、j 6 组成。依靠改变跨接套的连接方式，可以分别选择o 一 1 0 v 或+ 5 v 的电压输出范围，并具有加电自动清零功能。 4 2 3 4 功率放大模块 由d i a 转换得到的模拟控制信号的驱动能力有限，不足以驱动伺服驱动部 分，为了能够驱动伺服驱动部分，必须加功率放大电路。功率放大电路图如图 4 - 4 图4 4 信号叠加和功率放大电路图 4 2 3 5 接口控制逻辑电路 接口控制逻辑电路为开关量输入输出板，开关量输出板主要用来控制相关 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 逻辑开关和使能信号，开关量输入板主要用来检测相关的状态信号。 4 2 4 下位机软件设计 下位机的驱动程序为写入p c i 0 4 中的程序，是在t u r b o c 3 0 的软件开发环 境下开发的，其主程序流程图如图4 - 5 ，其子程序流程图如图4 6 ： 初始化程序包括各种参数和变量的初始化、启