舵机加载系统及其伺服驱动器控制参数设置方法.pdf

研究与 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 5 1 1 0 0 2 舵机加载系统及其伺服驱动器控制参数设置方法 董科锐 段 富海 胡武扬 大连理工大学 机械X 程学院 辽宁大连 1 1 6 0 2 3 摘要 研制了某型直升机并联舵机自动加载测试系统 用带编码器的交流伺服电机及其驱动器实现电动加载 为解决舵机有限 转角小旋转扭矩的精准动态加载问题 伺服驱动器控制参数设置非常关键 在简述测试系统总体结构和伺服驱动器选型的基础 上 详细介绍了电机控制模式 电机转速限制方法 电机手动操作界面 编码器分频脉冲设定 闭环复合控制实现等伺服驱动 器控制参数的设置方法 实物验证表明 加载测试系统扭矩和位置控制精度均较高 可满足测试要求 关键词 并联舵机 自动测试系统 交流伺服驱动器 加载伺服电机 中图分类号 V 2 7 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 5 1 1 0 0 0 7 0 6 Ac t u a t o r Lo a d in g Te s t S y s t e m a n d Co n t r o l Pa r a me t e r S e t t in g M e t h o d s o f I t s AC S e r v o Dr iv e r DONG Ke r u i DUAN Fu h a i HU W u y a n g D a l i a n U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y C o l l e g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g D a l ia n 1 1 6 0 2 3 C h i n a Ab s t r a c t A he l ic o p t e r p a r a l l e l a c t u a t o r a u t o ma t ic l o a d in g t e s t s y s t e m is d e v e l o p e d AC S e r v o Mo t o r wh ic h h a s e mb e d d e d e n c o d e r a n d AC S e r v o Dri v e r a r e us e d t o c o n s t r u c t e l e c t r ic l o a d in g s c h e me I n o r d e r t o s o l v e s ma l l t o r q u e p r e c is e d y n a mic l o a d in g p r o b l e m u n d e r t h e c ir c u ms t a n c e s o f a c t u a t o r l imit e d r o t a t iv e a n g l e s e n 0 d ri v e r c o n t r o l p a r a me t e r s e t t in g s is e s s e nt ia 1 Th e o v e r a l l s t r u c t u r e s o f t e s t s y s t e m a n d s e r v o d r iv e r t y p e s e l e c t io n a r e b r ie f l y in t r o d u c e d in t h is p a p e r AC s e r v o d ri v e r c o n t r o l p a r a me t e r s e t t in g me t h o ds s u c h a s t h e mo t o r c o n t r o l mo d e mo t o r s p e e d l imit me t h o d mo t o r ma n u a l o p e r a t io n in t e r f a c e e n c o d e r f r e q u e n c y p u l s e p o in t s s e t c o mp o u n d c l o s e d l o o p c o n t r o l me t h o d a r e in t r o d u c e d in de t a il Ph y s ic a l e v id e n c e s h o ws t h a t t o r q u e a n d p o s it io n c o n t r o l p r e c is io n o f l o a d t e s t ing s y s t e m a r e hig h a n d l o a d t e s t in g s y s t e m c a n me e t t h e t e s t r e q u ir e me n t s Ke y wo r d s p a r a l l e l a c t u a t o r a u t o ma t ic t e s t s y s t e m AC s e r v o d r iv e l o a d ing s e r v o mo t o r O引言 舵 机是直升机飞行操纵与控制系统 的执行机 构 根 据控 制信 号 的大小 与极性 它 以一 定速 率 输 出角位移 带 动直升机操纵杆系运动 进 而控制直升机旋翼 或尾翼桨 叶桨距变化 通过空 气动力变化 控制直升机 的飞行状态 实现直升 机的操纵与控制u 1 舵机在直升机实际飞行过程中 需要承受通过液压助力器来的空气动力及其力矩 作用 空气 动力及其力矩 随着直升机飞行高 度 速度 姿态等飞行状态的不同而变化 最终呈 现 为舵机 的动态交变负载 舵机性能直接影响直升 机整体 的飞行性能 而舵机的带载能力是舵机 的 主要 技术 参数 在试 验 室条件 下对 舵机施 加 载 航空科学基金资助项 目 编号 2 0 1 3 0 8 6 3 0 0 6 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 7 荷 模拟直升机在空 中飞行 时舵机输 出轴所受到 的动态负载 对舵机系统的实 际工作性能进行考 核验证 是舵机产品检验和进行飞控系统动态半 物理仿真试验必备程序 因此舵机的负载模拟非 常重要 传统 的手动机械加载舵 机测试方式 测量精 度不高 加载力矩不能连续 不仅耗时费力 而 且人为很多因素会影响测试结果的可信度 因此 迫切需要改为 自动加载 而 自动加载的电液伺服 加载 磁粉制动式加载存在一定 的缺陷 目前 电 动加载 因加载精度高 转矩的静态和动态控制方 便 成为发展趋势口 为实现 自动化测试与 自动 扭矩加载 解决舵机有 限转角小旋转扭矩的精准 与 开 发 动态加载 问题 采用 电动加载方 式研制 了直 升机并联 电动操纵舵 机综合 自动测试 系统 通过 与直 流 力矩 电机对 比分析 选用 成熟 舵 的三相交 流伺 服 电机加 载方案 其 中交流伺服驱动器控制参数设 置具有重要的作用 本文在简述加载测试 系统 总 体结 构 和伺服 驱动 器 的基础上 重点阐述 了A C 伺服驱动器控制参 数 设 置 方 法 包 括 电机 控 制模 式 电机转 速限制方法 电机手 动操作界 面 编码 器分频 脉冲设 定 模 糊 P I D闭环 控 制 的实 现 手动加载盘 等 期 望与其 他交 流伺服 驱动 系统 的开发者 分 享 并能提供借鉴 1 测试 系统总体 结构 1 1 硬件结构 测试 对象直升机并联 电动操纵舵机主要 由电 机 减速器 蜗杆机构 电磁离合器 微动行程 开关等组成 其输出轴为慢速的旋转运动 舵机加载测试系统用于测试舵机在空载及不 同负载下 的性能 主要测试内容包括舵机空载和 加载时的电压 电流 输出轴 的转角 转速 行 程和扭矩等参量 由加载台 电气控制柜 和连接 电缆构成 图 1 为测试 系统工作原理图 加 I 加 载 电 机 1 b厂 卜 一 载 台 圈匦 信 号 I 扭 矩 电 数 据 采 集 卡 舵 控 制 器 电 机 控 制 器 市U 工控机 I I 柜 图 l 并联舵机测试系统T作原理图 选用工控机和 2 块阿尔泰的多功能数据采集 卡作 为控制 和测量平 台 选用 三相交 流伺服 电 机 伺服驱动器 扭矩传感器 编码器构成加载 系统 组成完整的舵机 自动加载测试系统 测试 图2 舵机加载台架结构图 控制平 台采用工业控制计算机系统 以工控机为 核心运行检测软件 实现舵机 的综合 自动测试 测试系统通过控制 驱动单元控制加载 电机扭矩输 出 通过多功能数据采集卡采集各种设备反馈的 信号 包括舵机电机及舵机离合器的电流和 电压 信号 扭矩传感 器信号 编码器脉冲信号等 通 过 电动力矩加 载系统模拟舵机受 到的力矩载荷 实现 自动加载舵机 并通过手动加载校核 自动加 载精度 消除多余力矩的影响 自左 至右安 装并 联舵 机 舵 机摇臂 摇 臂 夹 手动加载盘 离合器 联轴器 扭矩传感 器 加载电机 编码器等 构成加载轴系 轴 系 各部件应尽量体积小 重量轻 轴系材料应选 弹 性模量高的轻型材料 以提高 固有频率 减小 多 余扭矩 测试 系统 的精度在很 大程度上取决 于加 载系统 的机械结构 的精度 加载 电机通过法兰固 定在箱体上 其输 出轴与舵机轴在 同一轴线 因 此在装配时 要保证各部分的同轴度和垂直度在 误 差允许 范 围 内 这样才 能提 高系 统 的加 载精 度 实现准确加载 1 2软件结构 软件 的运行环境选 为Wi n d o w s 7 0 图形视窗操 作 系统 选 用美 国 N I N a t i o n a l I n s t r u me n t 公 司的 L a b V I E W2 0 1 3图 形 化 编 程 语 言 G r a p h ic s L a n g u a g e G语言 进行设备软件开发 将测试测量程序划分 3 个层次 即主 V I 功 能层和最底层的驱动层 L a b V I E W 已经提供 了常 用的底层驱动功能 如数据采集设备 的驱动 文 董科锐等 舵机加载 系统及其伺服驱动器控制参数设置方法 研究与 n D AD a t a 扭矩给定 2 8 4 x 1 0 0 0 0 x 6 5 5 3 6 2 0 0 0 0 3 2 7 6 8 1 式 1 中 2 8 4 为最大输 出扭矩值 1 0 0 0 0 为 l O x1 0 0 0 mV 2 8 4 N m 对 应 的 电 压 值 是 1 0 V 6 5 5 3 6 为数据采集卡所识别 的原码值 的最 大值 的十进制表示 而 3 2 7 6 8 代表原码值的 中间 值 零点 而电压 的输 出量程为一 1 0 V 1 0 V 因 此在转换为 mV电压值后再 除以2 0 0 0 0 最后再加 上中间值 3 2 7 6 8 2 在位置控制模式下 向伺服驱动器输入 脉冲序列角度给定指令 伺服驱动器利用输入脉 冲数及其 占空 比来控制伺 服电机按给定方 向转动 给定角度 实现方法如下 电子齿数 比是对来 自上位装 置输入指令 的 1 个脉冲对应于工件所走的移动量进行任意设定的 功能 若要进行位置控制时 首先对伺服驱动器 进 行参 数设 置 将 电子齿 数 比 分 子 设 置 为 1 电子齿数 比 分母 为 出厂设定 这样确保 分 数的值 为 1 伺服 电机 正好旋转给定角度 见 表 4 表4 电子齿数比的设定 电子齿数比 分母 设定范围 设定单位 出厂设定 生效时问 1 2 1 1 再次接通电源 当伺服开关 吸合 控制模式为 位置模 式 时 电机 通 电但不 能转 动 在 给定 角度 框中输入给定角度 伺服电机按给定角度输出 将给定度数通过公式 2 转换为数据采集卡可识 别的脉冲数 再通过采集卡将脉冲数输入到脉冲 指令输入端 口 同理将正反转符号 输人指令 符号输入端 口中 这样伺服驱 动器控制 电机按用 户要求输出给定角度 给定角度为正数 即为正 转 负数即为反转 脉冲数 给定角度 3 6 0 x 1 0 4 8 5 7 6 2 因采用 2 0 位增量型编码器 式 2 中3 6 0 对应 2 如 1 0 4 8 5 7 6 个脉冲 3 4 编码器分频脉冲数设定 1 编码器分辨率设定 操作伺服驱动器的面板操作器 将编码器分 频脉冲数设定由出厂时的 2 0 4 8 变为3 2 0 4 8 见表 5 这样 来 自编码器的每圈脉冲在伺服驱动器内 部进行电子分频后 按变更后的分频值输出 电 机旋转 3 6 0 对应输出 3 2 0 4 8 个脉冲 提高了编码 器 分辨率和旋转角度测量精度 可将 编码器角度 测量精度 由0 1 8 提高到 0 0 l 表 5 编码器分频脉 冲数设定 2 采用编码器分频脉冲输 出判定舵机转 动 方 向 在伺服驱动器内部处理来 自编码器的脉冲信 号 以 9 0 相位差的 2 相脉冲 A相 B相 形 态 向外部输出分频信号 表6 给出了A B 两相分频 脉冲信号输出波形图运动周期的时序 当输出一 定数量的脉冲时 舵机正 反转时A B 两相输出 脉冲相位不 同 通过判断 A相和 B相 的相位关系 来判断舵机 的正反转 表 6 输出波形图运动周期的时序 顺时针运动 逆时针运动 AB 1 1 0 1 0 O 1 0 AB 1 1 1 0 0 0 O1 脉冲的辨 向和计数利用 L a b V I E W软件及带计 数器 的多功能数据采集卡来实现 多功能数据采 集 卡上有 A B两相分频脉冲信号鉴相计数 电路 若B 相超A 相9 0 度 则舵机为正转 若A相超 B 相9 0 则舵机为反转 3 5闭环复合控制参数设置 舵机加载 自动测试系统实质上是一种带有位 与开发 置扰动 的扭矩伺服系统 电机扭矩控制系统普遍 存在系统稳定性差 存在多余扭矩和跟踪精度等 关键问题 负载惯量 包括加载电机 扭矩传感 器 联 轴器及 轴 系等 的惯 量 是 固有 的多余 扭 矩 多余扭矩混人加载系统 加载侧和承载侧相 互作用 相互耦合 严重影响加载精度 对其他 控制性能也有不利影响 由于多余扭矩的微分特 性 简单 的补偿方法难于实现完全克服 必须进 行综合补偿 经过多次试验 采用简单有效 的闭环复合控 制策略抑制多余扭矩 实现精确跟踪扭矩指令信 号的最终 目标 控制方案是 通过扭矩传感器 构 成扭矩反馈 形成扭矩 闭环控制 9通过编码器构 成位置反馈 形成位置闭环控制 使用舵机的转 速进行前馈控制 9 扭矩 环和位置环均采用参数 自 整定的模糊 P I D控制算法 编制模糊 P I D控制算法子 V I 通过 L a b V I E W 程序调用 实时修正伺服驱动器输人模拟量转矩 指令值和位置脉冲数量及 占空 比 从而实现模糊 P I D控制算法 4结束语 详细阐述 了伺服驱动器控制参数设置的具体 方法 测试系统通过伺服驱动器与扭矩传感器实 现伺服 电机闭环复合控制 成功地实现 了扭矩 自 动加载 通过合理提高编码器输 出的分频脉冲数 和位置闭环控制来实现位置的精准控制 利用基 于 A B两相分频脉冲信号的鉴相计数 电路来实现 了舵机转 向的 自动测试 舵机 自动测试加载 系统以 L a b V I E W软件作为 开发平台 人机界面友好 功能强大 还 可利用 加载台架上 的手动加载盘和标准高精度砝码 实 现 自动加载系统 的扭矩精度 的校准和标定 实物 验证表明 加载测试系统扭矩 和位置控制精度均 较高 可满足测试要求 参考文献 1 杨一栋 直升机飞行控制 M 南京 南京航空航天 大学 出版社 2 0 0 7 2 李育明 直升机并联舵机 自动测试系统设计 D 哈 尔滨 哈 尔滨工业 大学 2 0 1 2 3