创新设计

科研创新研究 题目：三维数控平台模型试验机控制系统设计 研究者：李思诚 詹银顺 曾浩然 班级：12033417 指导老师：郭正华 随着现代新技术的腾飞，电气控制技术发展很快。控制手段不断更新，控制方式螺旋式前进，控制理论也不断发展。可以肯定的是，电气控制技术已成为现代生产中提高生产力的必要途径。三维转动动力平台的控制系统设计主要包括液压驱动和电气控制两部分,详细设计了液压系统，特别提出了摆动伺服液压缸概念。本章则侧重于驱动控制和伺服跟踪方案的分析，由此得出各元器件动作，进一步拟定出电气系统原理图。

一．动力平台控制系统总体结构

知道三维转动动力平台的运动控制过程，主要分两步走，先导后随动，是一个具有负反馈的闭环随动控制系统。图4．1所示反映了闭环控制系统输入量、输出量和反馈量之间的关系。

这种系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端与给定量进行比较，并利用比较后的偏差信号，经过控制器或调节器对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，从而减少输出量的误差。 控制系统总体结构如图4．2所示。 控制系统选择上下位机组成的主从分布式控制结构，主要由主控模块、直流模块、PLC模块、通讯单位四部分组成。其中，主控模块主要由工业控制计算机、串口扩展卡和数据采集卡组成。

直流模块有直流伺服电机、运动控制器、电磁编码器等组成。 在液压各支路上，用日本三菱公司的踊Ⅳ系列可编程控制器来实现油液通断控制。 采用RS232串口通讯实现上下位机之间的通讯。 反馈装置主要有角度(位置)、压力和流量传感器。 系统的位置反馈主要分为两个部分：一是摆动伺服液压缸输出轴端的角度传感器读出 输出轴转动角度的实际值，通过数据转换反馈给系统输入端，同时直流伺服电机自带电磁编码盘也能读出电机实际转角信号反馈到运动控制器，两路信号一并比较进行修正。二是系统输入端指定转角和液压缸输出轴实际转角进行差值运算，达到PLC程序设定范围即可关闭油路。 以上提到的四部分模块，在前期对系统硬件和软件设计中，都有过详细的分析与研究，在此就不便累述。本章的重点是如何在最底层进行对动力平台系统的电气控制，以实现伺服跟踪目的。 二.驱动控制方案 通过确定驱动动力方案和完成液压系统设计，基本解决了动力平台“如何动"的问题，那么，接下来的工作就是要继续解决“如何精确动”的难题。在先前摆动伺服液压缸的介绍中，我们提到了直流先导技术，通过直流电机输出轴直接驱动伺服阀芯，所以电机的选择也成为运动控制系统的重要一环。 1. 直流伺服电机 伺服电动机亦称执行电动机，在自动控制系统中，其任务是将输入的电信号转换为转角或转速，以带动控制对象。它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。由于这种“伺服’’的性能. 就电磁过程及所遵循的基本电磁规律而言，伺服电机和一般的旋转电机没有什么本质上的区别。不过一般旋转电机的作用是完成能量的转换，对它们的要求是具有高的力能指标。而由于控制系统的需要，伺服电机的主要任务是完成控制信号的传递和转换。根据它们使用的场合及所需要完成的任务，伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。

按电流种类不同，伺服电动机可分为直流和交流两种。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机。 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。它不仅具有传统的良好的起动、制动、运行效率高、良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转等优点，可以很方便地在宽范围内实现无级调速(故多采用在对电动机地调速性能要求较高的生产设备中)。经过长期的发展，又具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。所以，尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比。

随着永磁材料和工艺的不断发展，直流电动机的励磁部分将逐渐用永磁代替，并且，这种直流电动机体积小、结构简单、省电，所以在中小功率范围内得到了广泛的应用,本文考虑使用直流有刷伺服电机。

经查阅网上相关资料发现，德国冯哈伯集团生产的直流有刷伺服电机(如图4．3所示)与市场上其余的电机相比，有如下优异性：

全部采用FAULHABER空心杯专利技术制作，转动惯量小、启动电压低、空载电流小；编码器可与电机集成为一体，外加控制器即可组成伺服系统，实现转速、位置、扭矩等的闭环控制；最高转速高达20 200rpm，适当提高电压可以获得更高的转速并对电机寿命无影响；名义电压从1．5"-48V DC，功率最大226W，直径范围6～-38mm，长度12--一63mm；最大输出转矩1290mNm，配FAULHABER减速箱后，最大输出转矩高达20Nm；全部产品均有军品规格提供，满足极端低温指标。可提供特殊规格产品，以满足高真空、高振动、高冲击等特殊工作环境。

摆动伺服液压缸内的伺服阀芯是采用转阀结构，相比较电液比例伺服阀、液压滑阀易于实现内置模块化，且在使用伺服电机先导时，由于电机本身就是作旋转运动，这样省去了旋转一直线运动的转换机构，传动机构大大简化。直流伺服电机的型号则根据伺服阀芯在转动过程中所受阻力矩的大小选择。 由于伺服阀芯与阀套衬套之间采用间隙配合，其摩擦阻力很小，因此阀芯转动阻力主要由密封圈与阀芯之间的摩擦力决定(此处选用O形圈密封，见图44)。

在密封处产生的在密封处产生的摩擦力公式为： f=uPπdb 式中：u-----O形圈与伺服阀芯之间的摩擦系数，与密封表面润滑状态有关； p------O形圈与伺服阀芯接触面间的有效接触压力(MPa)，与0形圈断面直径、断面压缩率、材料硬度等因素有关；

D -----伺服阀芯直径(mm)； b—O形圈与阀芯接触面有效宽度(mm)； 由上可知，直接计算摩擦力比较困难，可以借助实验测出阻力矩。 由实验研究可以分析出，一开始当液体压力从零加到微小量时，O形圈摩擦阻力主要取决于它的预压缩量；当工作液体承受一定压力时，摩擦阻力矩随着工作压力的增加而增大，且近似地呈正方向线性关系。当系统压力达到5MPa时，角度伺服阀芯阻力矩约为1．35N．m。 决定选用型号为2642W024CXR的直流有刷伺服电机。其结构如图4．5所示。 电机一些具体参数如表4．1所示。 表4．1 2642W024CXR电机的参数

由上表可以看出，电机本身的转速很高而转矩很小，需要配合减速箱[54]进行调节。在该电机适配部件中选用30／1系列(减速比为159：1)行星减速箱。它的连续最大输出转矩为4．5N．m，峰值为6．0N．m。

另外，可以选用IE3系列电磁编码器【551，该系列增量式编码器与FAULHABER直流微电机结合为一体，用于测量反馈电机的转速、转向和位置。其据以型号为IE3．512，分辨率可达512，输出信号通道数为2+1(固定在电机轴上的永磁体编码盘随电机同步旋转，单芯片角位移器探测其磁场变化，处理后输出两路相位差为90。的方波脉冲。每转一圈，各路至多可输出1024个脉冲，同时，索引通道还将输出一个索引脉冲)。关于运动控制器f56】，承模块化思想，也选用冯哈伯集团产品，具体型号为MCDC2805。 2.直流伺服先导 现阶段，直流伺服控制技术和液压伺服控制技术都是较为成熟的控制技术，液压伺服控制具有反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点，被广泛地应用于自动化领域，但由于液压系统参数易于变化等难点一直无法得到很好解决，能实现的控制精度不高。直流伺服控制技术驱动性能优异，能实现精确的运动控制，但存在输出力矩小的问题。因此，本设计巧妙地将两者结合，采用了机器人控制中常见的直流先导技术，整体上采用液压伺服技术，充分利用了直流伺服系统控制精度高和液压伺服系统输出功率大等优点。

作为三维转动动力平台的执行元件，摆动液压缸在结构设计上实现了伺服阀芯、伺服电机的内置集成，有利于系统控制。三个方向的摆动伺服液压缸采用同一设计，控制原理亦相同，如图4-6所示，以Z轴方向为例说明其伺服跟踪原理：

1--直流伺服电机2一伺服阀芯3一随动阀套4一缸盖 5一缸体6一输出轴7一阀套衬套8一电磁编码器9-读出组件图 4--6摆动伺服液压缸剖面图 当压力油从液压泵泵出后，经过液压缸缸体5、随动阀套3、阀套衬套7上的油道到达伺服阀芯2内，由于伺服阀芯2与随动阀套3之间受到阀套衬套7的阻挡，油液暂时不能进入摆动伺服液压缸内工作，处于中位状态(见图4．6B、图4．6C)，输出轴6不转动；当控制计算机向直流伺服电机运动控制器发出某一转角信号后，直流伺服电机运动控制器驱动直流伺服电机1转过某一角度，与之相连的伺服阀芯2也转过同样的角度，此时伺服阀芯2跟随动阀套3之间的阀口就被打开，于是压力油液便经随动阀套3内的油道流进摆动伺服液压缸的A腔(图4．6D)，另一腔B(图4．6E)与回油油道相通，随动阀套3开始正向转动，从而通过输出轴6带动负载转动。随着随动阀套3的转动，其与伺服阀芯2之间的开口度又会逐渐变小直至关闭，随动阀套3和输出轴6停止转动，从而实现了随动阀套3对伺服阀芯2的位置跟踪；反之，如果直流伺服电机1反转，则可实现输出轴6向另一方向转动。为了减小随动阀套3(输出轴6与之是一体)跟踪伺服阀芯2的位置误差(如伺服阀芯2转动了15。，因结构死区等原因，随动阀套3只转动了14。)，可在输出轴6上安装一个电磁编码器8(选用FAULHABER直流微电机的配套产品)，通过电磁编码器读出组件9检测随动阀套3转过的实际角度，然后送控制计算机处理，再由控制计算机向直流伺服电机运动控制器发送需要补偿的角度以驱动直流伺服电机l进行角度补偿，从而保证随动阀套3转过的角度能够达到期望值，从而实现对三维转动动力平台系统的全闭环伺服跟踪随动控制。 三.电气原理

1.各元器件动作控制分析 针对三维转动动力平台在空间需要实现的7种转动情况，(为方便起见，这里的讨论均假设各轴正方向转动)，分析每种情况下各元器件作什么动作，通过简单的继电器接触器控制就能实现2．2节所阐述的液压缸伺服跟踪原理。