伺服试验机数字控制技术

电液伺服试验机主要用于测试各种金属材料、高强度塑料及类似材料的动静态力学性能。控制系统作为其核心部件，对整机的测试功能、测试频率响应和测试可靠性起着至关重要的作用。结合现代数字控制技术、计算机技术和软件技术，研制出功能丰富、性能优良的数字控制系统，以提高电液伺服试验机的性能。这对材料性能指标的测定和材料科学研究中新材料的探索具有重要意义。

近年来，随着电子技术，计算机技术和控制技术的发展，数字伺服控制技术逐渐取代了模拟伺服控制技术，使电液伺服控制技术进入了一个新的阶段 - 数字时代。数字技术应用带来的便利性非常巨大。以下是一个简单的比较，以了解数字控制器相对于模拟控制器的优越性。

1.1 结构的优化

仿真系统中有许多分立元件，通常需要几个电路板组成一个系统，这给装配和调试带来了很大的不便。如果发生故障，需要花费大量时间来修理设备。以函数发生器为例，它通常包括波形存储器、分频器、译码器、均值生成电路、幅度生成电路等。整个函数发生器是一个独立的电路板。当一个元件发生故障时，整个电路板就不能正常工作。

以dsp为核心的数字控制系统结构简单可靠。一个dsp芯片可以执行许多功能，例如pid操作、功能生成、数据采集控制等，而每个功能在模拟技术时期几乎都需要一个独立的电路板来完成。用几块电路板，几十块甚至几百块组件，用一块芯片就可以完成，这给生产和调试带来了很大的方便。

1.2 功能的优化

通常，可以在模拟控制器上实现简单控制，并且控制参数将随着设备老化而改变。诸如叠加波，组合波形，随机波形等一些特殊波形的实现是复杂的，甚至需要大电路来实现。在数字控制系统中，可以通过数字信号处理器实时生成各种波形，并且可以实际应用各种先进的控制算法来增强系统的设计灵活性和可靠性。

2。国际主要试验机制造商的动态控制器特性

因为数字控制技术比模拟技术有巨大的优势，世界各大公司纷纷推出自己的数字控制系统。模拟系统在市场上已经很少见了。目前，只有mts还在销售407台模拟控制器。

下面列出了由MTS，MOOG，DOLI和长春试验机研究所有限公司（CRITM）等国际知名试验机制造商提供的动态控制器的主要技术特征。

表1动态控制器主要技术特性对比表

从表1可以看出，每家公司的控制器都使用高速信号处理器，其中大部分使用dsp处理器。MOOG不使用dsp技术，只通过通用处理器执行所有功能。这对通用处理器的驱动技术提出了更高的要求。测试2000控制器采用卡型结构，并利用windows xp下的设备驱动技术，实现计算机与控制卡之间的高速通信。测试2000控制器在结构和硬件指标上已经达到或接近国际先进水平，但产品的技术水平还需要进一步提高。

3 TEST2000数字伺服控制系统

TEST2000控制器是采用先进数字控制技术的数字伺服控制器。控制系统的核心是TI公司的240系列DSP器件。它被设计成一个标准的ISA总线卡，安装在工业控制计算机的插槽中。控制器的主要模块有：放大器模块，包括位移放大器、负载放大器、变形放大器；数据采集模块；逻辑接口模块；数字信号处理模块；控制信号输出模块；计算机通信总线；设备驱动接口和应用软件模块。该系统采用DSP、双口RAM、CPLD等大型可编程器件，具有很高的集成度。方框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

下面将介绍伺服控制器、数字处理器模块、系统软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

电液伺服试验机控制系统的核心算法是PID控制算法。在数字控制系统中，PID控制算法是由程序实现的，利用程序的灵活性，可以解决模拟PID不能实现的一些问题。本系统采用增量PID控制算法[1]。控制系统框图如图2所示。

图2增量pid控制系统的框图

增量PID计算公式为：

式中c=kptd/t均为采样周期、比例系数、积分时间常数和微分时间常数的相关系数。

增量硬皮有以下特点：

一个。输出增量由DSP计算，因此在发生故障时影响很小，如果需要，可以通过逻辑判断方法消除异常输出数据。

B.公式中不需要加起来。控制量u（k）的确定只与近k次的采样值有关，因此通过加权处理很容易获得较好的控制效果。

3.2 数字处理器模块

由于电液伺服具有快速响应速度的特点，为了保证控制的实时可靠性，所使用的信号处理器必须具有高处理速度，以及高操作速度，还应具有足够的存储空间，并应具有足够的周边，以简化系统设计。ti的tms320 f240 dsp处理器是专门为运动控制而设计的。它是一种16位定点处理器，非常适合数字伺服控制系统。它有以下特点：

一个。指令执行周期为50 ns，确保系统的实时性能。

B.544字节16位数据存储空间。

c.16k 16位内部闪存闪存。

d。共有224K字的内存地址空间，包括64K程序存储空间，64K数据存储空间，64K I / O空间和32K全局存储空间。

e.丰富的外围功能，12通道比较/脉宽调整通道，3通道16位通用定时器，6个外部中断端口和串行通信接口。

f.tms320f240芯片由5v驱动，这一特性大大方便了电路的设计。目前，一些高速处理芯片使用3.3v或1.8v电源，而一些逻辑接口芯片则提供5v的电源。在3.3v和5v的混合电路系统中，在设计电路接口时需要添加电压转换芯片。因此，增加了电路设计的复杂性。

利用TMS320F240 DSP的高执行速度，丰富的程序数据存储空间和大量的片上外设，系统采用可编程接口芯片CPLD作为逻辑控制电路，控制数据的采样和转换，增加了系统的集成度。硬件。每个功能模块在电路板上的集成使控制器的硬件结构简单可靠。

3.3 实验软件介绍

软件采用层次结构编写，分为应用层软件和设备驱动层软件。软件的应用软件是用VisualBasic6.0编写的。设备驱动程序软件是用VC++6.0编写的。

应用层软件完成了用户测试条件的设置，控制器参数的设置，以及数据显示和存储设备驱动层的数据读取。设备驱动程序和硬件直接通信。一方面，控制卡是一个控制命令。另一方面，控制卡响应实时中断请求，接收采集的数据，监控系统状态，有效保证了实时控制系统的运行。目前，该软件具有丰富的功能模块，可应用于材料静态试验、材料动态试验、减震器试验、弹性体试验等多个测试领域。主要接口如图3所示。

实验软件具有以下特点：

a.在Windows XP环境下运行，界面友好，操作简单，能完成测试条件和样本参数的设置，具有丰富的实验数据处理功能。测试数据可以以各种文件格式保存。测试完成后，可以再现测试过程，并可以重放测试数据。测试数据可导入Word、Excel等各种软件进行统计、编辑和评分。分类、拟合试验曲线等操作，试验完成后，即可打印出试验报告。

图3 实验软件主界面

b.实时动态显示测试波形。

C。它配备了各种应用软件，如静态测试和疲劳测试。 d。测试结构构件，组件和部件的静刚度。

e.扫频试验，通过扫频试验来测试结构件、总成和部件的共振频率。

f.测试了结构部件、组件和组件的动态刚度，并得到了相应的动态刚度、阻尼角和阻尼参数，以解决测试对象的振动吸收和隔振特性。

3.4 主要性能指标

一个。测试波形：正弦波，三角波，梯形波，方波，斜波和自制随机载荷谱。

b.功能发生频率：0.01赫兹至100赫兹。

c.采用高分辨率反馈采样和信号调制技术，采用全数字闭环控制，所有频道同步反馈和采集速度为5千赫。

d。控制系统具有自诊断功能，如自诊断功能和PID参数调节，过载和过压保护。

e.保护方式：具有对荷载、变形、位移的过限保护功能。

f.该控制系统能自动校准测试仪的精度（负载、应变、位移），并自动为零。

G。整个数字显示屏显示多种工程量，如测试力，位移，变形，测试频率，多通道并行测量，显示和控制任务。

4 结束语

本文所讨论的TEST2000控制系统采用高速数字信号处理芯片和数字控制技术，提高了电液伺服试验机的控制精度，提高了试验的灵活性，将电液伺服试验机的技术水平提高到了一个新的水平，为电液伺服试验机提供了强大的动力。l材料测试和开发领域的测试仪器。今后的研究应着重于丰富实验功能，在现有功能的基础上逐步完善伺服控制算法，改进硬件制造工艺，使系统达到国际先进水平。