伺服試驗機數字控制技術

電液伺服試驗機主要用于測試各種金屬材料、高強度塑料及類似材料的動靜態力學性能。控制系統作為其核心部件，對整機的測試功能、測試頻率響應和測試可靠性起著至關重要的作用。結合現代數字控制技術、計算機技術和軟件技術，研制出功能豐富、性能優良的數字控制系統，以提高電液伺服試驗機的性能。這對材料性能指標的測定和材料科學研究中新材料的探索具有重要意義。

近年來，隨著電子技術，計算機技術和控制技術的發展，數字伺服控制技術逐漸取代了模擬伺服控制技術，使電液伺服控制技術進入了一個新的階段 - 數字時代。數字技術應用帶來的便利性非常巨大。以下是一個簡單的比較，以了解數字控制器相對于模擬控制器的優越性。

1.1 結構的優化

仿真系統中有許多分立元件，通常需要幾個電路板組成一個系統，這給裝配和調試帶來了很大的不便。如果發生故障，需要花費大量時間來修理設備。以函數發生器為例，它通常包括波形存儲器、分頻器、譯碼器、均值生成電路、幅度生成電路等。整個函數發生器是一個獨立的電路板。當一個元件發生故障時，整個電路板就不能正常工作。

以dsp為核心的數字控制系統結構簡單可靠。一個dsp芯片可以執行許多功能，例如pid操作、功能生成、數據采集控制等，而每個功能在模擬技術時期幾乎都需要一個獨立的電路板來完成。用幾塊電路板，幾十塊甚至幾百塊組件，用一塊芯片就可以完成，這給生產和調試帶來了很大的方便。

1.2 功能的優化

通常，可以在模擬控制器上實現簡單控制，并且控制參數將隨著設備老化而改變。諸如疊加波，組合波形，隨機波形等一些特殊波形的實現是復雜的，甚至需要大電路來實現。在數字控制系統中，可以通過數字信號處理器實時生成各種波形，并且可以實際應用各種先進的控制算法來增強系統的設計靈活性和可靠性。

2。國際主要試驗機制造商的動態控制器特性

因為數字控制技術比模擬技術有巨大的優勢，世界各大公司紛紛推出自己的數字控制系統。模擬系統在市場上已經很少見了。目前，只有mts還在銷售407臺模擬控制器。

下面列出了由MTS，MOOG，DOLI和長春試驗機研究所有限公司（CRITM）等國際知名試驗機制造商提供的動態控制器的主要技術特征。

表1動態控制器主要技術特性對比表

從表1可以看出，每家公司的控制器都使用高速信號處理器，其中大部分使用dsp處理器。MOOG不使用dsp技術，只通過通用處理器執行所有功能。這對通用處理器的驅動技術提出了更高的要求。測試2000控制器采用卡型結構，并利用windows xp下的設備驅動技術，實現計算機與控制卡之間的高速通信。測試2000控制器在結構和硬件指標上已經達到或接近國際先進水平，但產品的技術水平還需要進一步提高。

3 TEST2000數字伺服控制系統

TEST2000控制器是采用先進數字控制技術的數字伺服控制器。控制系統的核心是TI公司的240系列DSP器件。它被設計成一個標準的ISA總線卡，安裝在工業控制計算機的插槽中?？刂破鞯闹饕K有：放大器模塊，包括位移放大器、負載放大器、變形放大器；數據采集模塊；邏輯接口模塊；數字信號處理模塊；控制信號輸出模塊；計算機通信總線；設備驅動接口和應用軟件模塊。該系統采用DSP、雙口RAM、CPLD等大型可編程器件，具有很高的集成度。方框圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

下面將介紹伺服控制器、數字處理器模塊、系統軟件的基本工作原理及其主要性能。

3.1伺服控制器的工作原理

電液伺服試驗機控制系統的核心算法是PID控制算法。在數字控制系統中，PID控制算法是由程序實現的，利用程序的靈活性，可以解決模擬PID不能實現的一些問題。本系統采用增量PID控制算法[1]?？刂葡到y框圖如圖2所示。

圖2增量pid控制系統的框圖

增量PID計算公式為：

式中c=kptd/t均為采樣周期、比例系數、積分時間常數和微分時間常數的相關系數。

增量硬皮有以下特點：

一個。輸出增量由DSP計算，因此在發生故障時影響很小，如果需要，可以通過邏輯判斷方法消除異常輸出數據。

B.公式中不需要加起來?？刂屏縰（k）的確定只與近k次的采樣值有關，因此通過加權處理很容易獲得較好的控制效果。

3.2 數字處理器模塊

由于電液伺服具有快速響應速度的特點，為了保證控制的實時可靠性，所使用的信號處理器必須具有高處理速度，以及高操作速度，還應具有足夠的存儲空間，并應具有足夠的周邊，以簡化系統設計。ti的tms320 f240 dsp處理器是專門為運動控制而設計的。它是一種16位定點處理器，非常適合數字伺服控制系統。它有以下特點：

一個。指令執行周期為50 ns，確保系統的實時性能。

B.544字節16位數據存儲空間。

c.16k 16位內部閃存閃存。

d。共有224K字的內存地址空間，包括64K程序存儲空間，64K數據存儲空間，64K I / O空間和32K全局存儲空間。

e.豐富的外圍功能，12通道比較/脈寬調整通道，3通道16位通用定時器，6個外部中斷端口和串行通信接口。

f.tms320f240芯片由5v驅動，這一特性大大方便了電路的設計。目前，一些高速處理芯片使用3.3v或1.8v電源，而一些邏輯接口芯片則提供5v的電源。在3.3v和5v的混合電路系統中，在設計電路接口時需要添加電壓轉換芯片。因此，增加了電路設計的復雜性。

利用TMS320F240 DSP的高執行速度，豐富的程序數據存儲空間和大量的片上外設，系統采用可編程接口芯片CPLD作為邏輯控制電路，控制數據的采樣和轉換，增加了系統的集成度。硬件。每個功能模塊在電路板上的集成使控制器的硬件結構簡單可靠。

3.3 實驗軟件介紹

軟件采用層次結構編寫，分為應用層軟件和設備驅動層軟件。軟件的應用軟件是用VisualBasic6.0編寫的。設備驅動程序軟件是用VC++6.0編寫的。

應用層軟件完成了用戶測試條件的設置，控制器參數的設置，以及數據顯示和存儲設備驅動層的數據讀取。設備驅動程序和硬件直接通信。一方面，控制卡是一個控制命令。另一方面，控制卡響應實時中斷請求，接收采集的數據，監控系統狀態，有效保證了實時控制系統的運行。目前，該軟件具有豐富的功能模塊，可應用于材料靜態試驗、材料動態試驗、減震器試驗、彈性體試驗等多個測試領域。主要接口如圖3所示。

實驗軟件具有以下特點：

a.在Windows XP環境下運行，界面友好，操作簡單，能完成測試條件和樣本參數的設置，具有豐富的實驗數據處理功能。測試數據可以以各種文件格式保存。測試完成后，可以再現測試過程，并可以重放測試數據。測試數據可導入Word、Excel等各種軟件進行統計、編輯和評分。分類、擬合試驗曲線等操作，試驗完成后，即可打印出試驗報告。

圖3 實驗軟件主界面

b.實時動態顯示測試波形。

C。它配備了各種應用軟件，如靜態測試和疲勞測試。 d。測試結構構件，組件和部件的靜剛度。

e.掃頻試驗，通過掃頻試驗來測試結構件、總成和部件的共振頻率。

f.測試了結構部件、組件和組件的動態剛度，并得到了相應的動態剛度、阻尼角和阻尼參數，以解決測試對象的振動吸收和隔振特性。

3.4 主要性能指標

一個。測試波形：正弦波，三角波，梯形波，方波，斜波和自制隨機載荷譜。

b.功能發生頻率：0.01赫茲至100赫茲。

c.采用高分辨率反饋采樣和信號調制技術，采用全數字閉環控制，所有頻道同步反饋和采集速度為5千赫。

d。控制系統具有自診斷功能，如自診斷功能和PID參數調節，過載和過壓保護。

e.保護方式：具有對荷載、變形、位移的過限保護功能。

f.該控制系統能自動校準測試儀的精度（負載、應變、位移），并自動為零。

G。整個數字顯示屏顯示多種工程量，如測試力，位移，變形，測試頻率，多通道并行測量，顯示和控制任務。

4 結束語

本文所討論的TEST2000控制系統采用高速數字信號處理芯片和數字控制技術，提高了電液伺服試驗機的控制精度，提高了試驗的靈活性，將電液伺服試驗機的技術水平提高到了一個新的水平，為電液伺服試驗機提供了強大的動力。l材料測試和開發領域的測試儀器。今后的研究應著重于豐富實驗功能，在現有功能的基礎上逐步完善伺服控制算法，改進硬件制造工藝，使系統達到國際先進水平。