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。