一種擺動噴管電動伺服機構的設計及應用

崔 勇，黃元生

CUI Yong1，HUANG Yuan-sheng2

（1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206；2.華北電力大學 經濟與管理學院，保定 071003）

0 引言

電動伺服系統是一項很成熟的技術，但是由于電機效率、機械傳動機構和系統的動態特性等各方面存在的問題，電動伺服系統未能得到廣泛的應用。近年來，由于多種高能電池的出現和稀土材料的應用，高性能稀土電機技術得到了迅速發展，如用釤鈷磁鋼做成的電機具有體積小、質量輕和負載特性好的特點，其溫度穩定性和抗沖擊負載的穩定性都十分理想，電機的時間常數很小，甚至可以達到幾毫秒的水平。基于高性能稀土電機技術的發展和綜合設計方法及各類專業軟件水平的不斷提高，各種新型的電動伺服系統的控制技術也不斷出現，在此基礎上促進了電動伺服系統的廣泛應用。

擺動噴管電動伺服機構主要用于地面發動機擺動噴管性能研究，或是地面熱試車考核擺動噴管性能。在噴管擺動過程中電動伺服機構是完成噴管擺動的執行者，它按照預定好的程序令噴管擺動，擺動軌跡為正弦波。該系統按照全軸擺動方式配置，即由兩套執行機構構成。兩個執行機構分別分布在噴管的X軸面和Y軸面，使得噴管可以實現全軸擺動，如擺圓、擺8字、以及單軸擺動等。系統需要同時滿足兩個功能：1）管理人員能從顯示界面中瀏覽、分析實時運行狀況；2）建立系統實時數據庫，能實現歷史數據的統計、查詢和分析功能。

該文提出了該全軸噴管擺動電動伺服機構的設計及系統構成。

1 全軸噴管擺動控制系統構成

1.1 系統設計原則

系統設計主要遵循以下五個設計原則。

1）綜合性：整體性規劃；

2）先進性：技術是不斷發展的，新技術層出不窮。系統在設計時只有采用成熟先進的技術，才能保證此系統在未來幾年內具有市場優越性；

3）可靠性：保證系統穩定可靠的運行；

4）可擴展性：為了今后技術和性能改進的需要，系統需有良好的可擴展性和兼容性，以確保將來能夠平滑、安全及穩定的進行升級；

5）易操作性：系統合理的畫面布局，簡單易懂的操作流程，才可以確保使用人員經簡單的講解和培訓就可安全熟練的操作。

1.2 技術亮點

全軸電動伺服機構系統由一體計算機、驅動器、波形發生器、傳感器和伺服電動缸構成。系統構成如圖1所示。

該系統的技術亮點如下。

1）可擴展性、集成性、應用軟件完全兼容。

2）緊湊型：節約控制柜中的空間。

3）簡易：綜合開發工具用于所有任務。

2 系統簡要工藝流程說明

2.1 控制原理概述發出指令給控制器、波形發生器、伺服驅動器，推桿的伸縮位移與控制電壓（電流）成比例關系，并跟隨電壓的作波形變化。

圖1 系統結構圖

噴管擺動形式可單軸擺動和雙軸擺動。單軸擺動主要考核噴管擺動力學性特性，雙擺主要考核噴管全軸擺動協調性、系統的可靠性等。操作員可以通過ETV1581人機界面設定頻率以及幅值，系統自動產生正余弦波并控制電機運動。同時可以通過人機界面實時顯示當前所需的各項參數和曲線，如位置（幅值）、頻率、力等參數。

2.2 推桿工作原理

電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿伸縮動作。如通過各種杠桿、搖桿或連桿等機構可完成轉動、搖動等復雜動作。

2.3 行程控制方案

經推桿上的位移傳感器信號反饋到高速計數模塊上，通過軟件計算處理可記住當前的實際位置，可在人機界面上設定行走所需的軸向位移，至所需行程時，也可以通過調節外部限位塊壓下行程開關來改變方向，電動機停止運轉（正反控制相同）。

電動缸為伺服電機驅動滾珠絲桿，系統可通過伺服驅動器檢測到電動缸的實進位置。

圖2 （a）系統示意圖

1）軌跡的操作：在操作面板上輸入頻率，振幅，并選擇軸所運動的軌跡，按確認鍵，擺軸即會按設定的軌跡運行。

軌跡公式：Y＝A sin（a×q）

式中，Y為軌跡；A為振幅（面板輸入）；a為頻率（面板輸入）；q為程序設定自動變化的角度。

圖2 （b）A軸軌跡示意圖

2）另外一個軸的軌跡可以按如下公式進行運動：

圖2 （c）B軸軌跡示意圖

3）在推進和后退的運動軌跡上，實際的檢測物只能在8°～+8°之間進行運動，由圖3可以看出軸的運動軌跡和真實被測物的角度之間的關系。

式中，R為檢測物的半徑；T為檢測物中心到推桿支點的距離；S1為推桿自然狀態下的長度；S為伸縮的長度（位移量），S＝A sin（a×q）或S＝A cos a（q+p/2），其中q為0～360°設定軌跡的對應角度；q1為伸縮后的角度；q2為自然狀態下的角度；q為需要顯示的夾角，-8°～+8°之間。

4）軸與拉力之間的關系大致如圖4所示。

圖4 A軸擺動噴管推力與角度曲線圖

2.4 數據處理

位移曲線、力的曲線通過實時記錄位移、力的實際數值在人機界面中顯示出來。可實現曲線的保存、查詢以及EXCLE文件導出。

位移曲線、力的曲線以及位移和力的曲線可以同時畫出來并自由選擇。

3 系統控制的硬件和軟件構成

3.1 硬件主要構成

控制器采用SIGMATEK主控器，與sigmatek I/O模塊構成VARAN總線型網絡。控制系統對檢測的力、位移、以及狀態等進行采集形成實時和歷史曲線，并對軸軌跡形成正余弦曲線，對各種參數的限制報警等。

主控器集成CPU、運動控制、波形發生器和人機界面于一體，擬選用ETV1581型號。主要性能參數包括：1）15”TFT液晶觸摸屏，分辨率為1024×768；2）EDGE處理器；3）64M（DDR2）內存、1GB SD卡；4）內置VARAN總線、CAN總線以及10/100M自適應網卡；5）2 ×USB。

3.2 系統控制軟件

基于上述硬件配置的軟件系統是運動控制和曲線顯示控制為一體的模塊化軟件系統，由五大模塊：位移控制程序、拉壓力控制程序、過程數據庫儲存管理程序、數據顯示及操作控制程序、故障診斷程序組成。

系統控制主要由數據采集（即，A/D轉換）、位置控制、故障保護、網絡通訊軟件、反饋控制（監控位移）、D/A轉換、網絡通訊軟件等組成。顯示操作臺主要由控制模式選擇、工藝參數設定、拉壓力、位移數據、曲線顯示、運行狀態顯示、流程及操作畫面和故障報警等組成。

系統軟件流程主要由LASAL CLASS2編程軟件、LASAL SCREEN編程軟件、LASAL TEXT編程軟件和LASAL數據庫編程軟件組成。

3.3 操作臺顯示主要畫面設置

表1 監控畫面顯示內容

圖3 伸縮后的實際角度與伸縮前的角度計算關系圖

4 數據采集系統

4.1 數據采集方案設計

根據工藝狀況及需要需采集以下數據：拉壓力數據采集和位移數據采集。

4.2 位置數據檢測

在推桿設備上安裝拉位置尺，測量實際位置數據。位置尺根據實際的位置輸出脈沖信號，輸入數據高速采集模塊經過運算，然后上傳至監控計算機進行監控及控制。監測位置原理示意圖如圖5 所示（以位移為例）。

1）從傳感器電信號接入模擬量硬件模塊（I/O）。

2）編寫程序從硬件讀入參數值并寫入保存寄存器，使數據具有歷史查詢的性質。

3）經過運算得出分析所需要的值。如圖6所示。

圖5 監測位置原理示意圖

圖6 測試結果

4.3 拉壓力數據檢測

在系統設備上安裝拉壓力變送器，測量拉壓力數據。拉壓力變送器根據拉壓力大小輸出4～20mA信號，輸入數據采集模塊進行模數轉換。然后上傳至監控計算機進行監控。數據轉換過程參考位移過程。

例：拉力采集傳感器的信號為4～20mA,，測量范圍為-P～P，經模擬量0～20mA轉換后的范圍為0～Q，轉換后的數字是N。那么他們測定拉壓力N與單位拉壓力P’的關系為：

P'＝{[2P/Q（1-20%）]×（N-20%Q）-P}

5 結論

該擺動噴管電動伺服機構可以滿足地面發動機擺動噴管性能研究和地面熱試車考核擺動噴管性能。在噴管擺動過程中電動伺服機構是完成噴管擺動的執行者，它按照預定好的程序令噴管擺動。該系統按照全軸擺動方式配置，由兩套執行機構構成。兩個執行機構分別分布在噴管的X軸面和Y軸面，使得噴管可以實現全軸擺動。

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