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多自由度控制系統在北航仿真項目中的應用
時(shí)間:2016-01-15
創(chuàng )新的實(shí)現智能再生制動(dòng)、過(guò)載自動(dòng)降載、掉電動(dòng)態(tài)制動(dòng)、電網(wǎng)電壓補償和網(wǎng)絡(luò )化通訊等關(guān)鍵技術(shù)功能,將HS系列網(wǎng)絡(luò )化伺服電機驅動(dòng)器和MBOX通訊控制板卡,通過(guò)CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)總線(xiàn)技術(shù)結合,實(shí)現了設備的多平臺、多自由度、高速度、高可靠的運行控制。

       本方案應用于北京航空航天大學(xué)科研項目半物理仿真驗證試驗及測試,可模擬三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉動(dòng)自由度的運動(dòng)。系統由機械臺體、電控系統、主仿真機組成,采用數字化伺服驅動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )化等系統技術(shù),實(shí)現機械臺體的偏航、俯仰、滾轉、縱向、橫向、垂向六自由度精確控制。

 

電控系統組成

多自由度運動(dòng)平臺電控系統由網(wǎng)絡(luò )化伺服電機驅動(dòng)器和MBOX通訊控制板卡組成,運用CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)總線(xiàn)技術(shù),實(shí)現設備的多平臺、多自由度、高速度、大容量的運行控制。

上圖是網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統通過(guò)CAN總線(xiàn)和MBOX通訊控制器構成網(wǎng)絡(luò )化伺服控制系統的典型構架。MBOX與上位計算機之間通過(guò)交換機實(shí)現以太網(wǎng)的通訊,MBOX與伺服驅動(dòng)器之間實(shí)現CAN總線(xiàn)的通訊。MBOX還可以與本地計算機或觸摸屏實(shí)現基于通過(guò)RS232等接口的MODBUS通訊,便于監控和調試。同時(shí), MBOX還提供8路數字輸入,12路數字輸出及2路模擬量輸出接口,便于通過(guò)以太網(wǎng)總線(xiàn)實(shí)現低成本的數字及模擬接口數據采集和控制。


圖2 HS伺服CAN總線(xiàn)組網(wǎng)與MBOX通訊控制卡構成圖

2.2 電控系統功能特點(diǎn)

(1)網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統

  網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統采用TI的32位含浮點(diǎn)運算能力的雙核數字信號處理芯片,采用全新的伺服控制算法,對永磁同步伺服電機的位置、速度、加速度和輸出轉矩進(jìn)行精確控制。通用運動(dòng)控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換;

快速的電流環(huán)浮點(diǎn)CLA內核處理,具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性;

內置電網(wǎng)電壓補償控制,自動(dòng)適應電網(wǎng)電壓的波動(dòng);

內置2路可選共振低通濾波,以及2級共振陷波濾波器,有效應對機械共振;

內置專(zhuān)有智能再生制動(dòng)控制技術(shù);

內置轉矩觀(guān)測器技術(shù),自動(dòng)適應負載的變化;

 控制增益可切換或內部自適應匹配;

內置動(dòng)態(tài)制動(dòng)控制,為驅動(dòng)提供額外的安全防護;

具有過(guò)載自動(dòng)降載算法,可參數化選擇是否過(guò)載保護,以及參數化設置自動(dòng)平滑降載及恢復過(guò)載能力;

支持MODBUS協(xié)議的 RS232及RS485通訊接口,直接與上位機和觸摸屏等通訊;

支持CAN總線(xiàn)接口,內置專(zhuān)有通訊協(xié)議,方便客戶(hù)定制使用;

控制端口支持軟件方式分配、邏輯設置、可編程濾波,使用靈活方便可靠;

 脈沖模擬量接口, 脈沖輸入頻率最高可達1MHZ;

2路模擬量輸出可觀(guān)測驅動(dòng)器內部狀態(tài),方便現場(chǎng)調試;

內置功率器件溫度監控和過(guò)流,過(guò)壓以及過(guò)熱等保護,確??煽框寗?dòng);

具有歷史故障記錄等可靠性管理功能。 

(2)MBOX通訊控制器

   MBOX是一款專(zhuān)為伺服網(wǎng)絡(luò )化控制應用開(kāi)發(fā)的一款以太網(wǎng)到CAN總線(xiàn)的雙向數據傳遞的,含有RS232或RS422,12路數字輸出,2路模擬輸出,8路數字輸入等信號接口的多功能應用板卡。其中的CAN總線(xiàn)采用了電氣隔離技術(shù),確??偩€(xiàn)驅動(dòng)的可靠與安全。 

(3)HS伺服驅動(dòng)系統與MBOX通訊控制板卡構成的網(wǎng)絡(luò )化控制系統

網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統,提供了3種總線(xiàn)接口,包括RS232,RS485以及CAN總線(xiàn)。其中RS232接口是標準配置的通訊接口,RS485和CAN總線(xiàn)是選配的通訊接口,采用了電氣隔離及瞬態(tài)電壓抑制保護技術(shù),具有良好的電磁兼容性和可靠性。

       標準配置的RS232接口實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統與上位機或觸摸屏的點(diǎn)到點(diǎn)通訊,可實(shí)現對伺服驅動(dòng)系統的狀態(tài)監視、參數讀寫(xiě)以及總線(xiàn)模式的控制,當用戶(hù)要求網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統組網(wǎng)運行時(shí),可選擇RS485總線(xiàn)或CAN總線(xiàn)。

      網(wǎng)絡(luò )化伺服驅動(dòng)系統加強了總線(xiàn)模式下的控制功能,支持RS232,RS485以及CAN總線(xiàn)接口的多種總線(xiàn)模式控制,包括:

總線(xiàn)接口的轉矩模式控制

總線(xiàn)接口的轉速模式控制

總線(xiàn)接口的相對位置模式控制

總線(xiàn)接口的絕對位置模式控制

3、北航六自由度平臺設計方案

全電動(dòng)多自由度運動(dòng)平臺技術(shù)方案:采用電動(dòng)缸和交流伺服電機及驅動(dòng)器控制方案,具有響應速度快,控制精度高,使用方便,操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。我們從底層內核為該平臺的電動(dòng)缸控制實(shí)現優(yōu)化,其控制響應性能及環(huán)保等要素遠遠超過(guò)液壓控制方案。

全網(wǎng)絡(luò )化拓撲通訊控制:通過(guò)和利時(shí)電機公司自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò )化運動(dòng)控制器MBOX實(shí)現以太網(wǎng)+CAN總線(xiàn)兩級拓撲,通訊容量大,速度快,可擴展性好,絕對位置信號帶CRC校驗,可靠性高,兼顧性能和成本,遠優(yōu)于單一的以太網(wǎng)或 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲。

 雙向遠程監控:上位機通過(guò)以太網(wǎng)連接MBOX運動(dòng)控制器,MBOX運動(dòng)控制器與HS 伺服驅動(dòng)器進(jìn)行了高度緊密的系統集成。上位機即可以控制 MBOX 的運行參數及每個(gè)自由度的伺服運行位置,還可以實(shí)時(shí)監控每個(gè)自由度的運行速度,實(shí)際位置,負載率,伺服狀態(tài)字等信息。

過(guò)載自動(dòng)降載及恢復技術(shù):伺服驅動(dòng)器具有智能過(guò)載自動(dòng)降載及恢復技術(shù),免除電動(dòng)缸及電機的短時(shí)過(guò)載的保護導致的停機及故障麻煩。

 可靠性管理技術(shù):系統可以統計電動(dòng)缸及電機的使用時(shí)間及使用壽命時(shí)間,方便進(jìn)行運動(dòng)平臺的可靠性維護。

提供多種緊急停機處理:可以通過(guò)上位機用以太網(wǎng)通訊或本地數字輸入開(kāi)關(guān)的方式,實(shí)現動(dòng)感平臺的緊急停機??梢跃o急停止在當前位置,當前 X,Y,Z 軸任意一軸水平或平均位置,或緊急停止在起始位置。

智能再生制動(dòng)控制:用于運動(dòng)平臺快速回落過(guò)程中的伺服驅動(dòng)器的再生能量回饋及其處理。

電網(wǎng)電壓自動(dòng)補償: HS伺服驅動(dòng)器具備電網(wǎng)電壓補償算法功能,自動(dòng)應對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

支持電磁制動(dòng)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)功能:HS伺服驅動(dòng)器針對電源斷電及故障發(fā)生情況下,支持電磁制動(dòng)(抱閘)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)功能,確保平臺的安全停機。

人性化PC人機界面: 基于LabWindows編程環(huán)境的圖形化上位機軟件人機操作界面,支持點(diǎn)動(dòng)控制,正弦控制,姿態(tài)控制等六自由度平臺的常用各種操作,可隨時(shí)按用戶(hù)需求升級或完善上位機軟件。

支持完全無(wú)限位傳感器初始定位技術(shù):利用和利時(shí)電機公司自主知識產(chǎn)權的HS系列伺服驅動(dòng)器,可以從驅動(dòng)內核來(lái)實(shí)現電動(dòng)缸完全無(wú)限位傳感器的初始定位技術(shù),從而降低系統成本和故障率。

 輔助調試 HMI 界面:通過(guò)MBOX用RS232接口實(shí)時(shí)監控每個(gè)自由度的運行速度,實(shí)際位置,負載率,伺服狀態(tài)字等信息,便于調試以及診斷等。

 

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