舒 強(qiáng) 胡 秋 米 良

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所1，四川 綿陽(yáng) 621900；中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室2，四川 綿陽(yáng) 621900）

一種伺服加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

舒 強(qiáng)1，2胡 秋1，2米 良1，2

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所1，四川 綿陽(yáng) 621900；中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室2，四川 綿陽(yáng) 621900）

針對(duì)氣動(dòng)或液壓加載存在的加載力精度不高和需要額外的氣源或液壓站等特點(diǎn)，研制了一種基于伺服電機(jī)和彈性元件的力驅(qū)動(dòng)器及控制系統(tǒng)。針對(duì)常規(guī)PID不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)、靜態(tài)性能的缺點(diǎn)，采用非線性增量PID算法實(shí)現(xiàn)力驅(qū)動(dòng)器的全閉環(huán)控制；采用3σ準(zhǔn)則剔除力傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的粗大誤差，以提高力控制精度。對(duì)力驅(qū)動(dòng)器工程樣機(jī)進(jìn)行了性能參數(shù)測(cè)試，結(jié)果表明該力驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性和重復(fù)性。

力驅(qū)動(dòng)器 伺服系統(tǒng) 非線性 PID 控制精度

0 引言

力驅(qū)動(dòng)器在精密裝配、機(jī)床主軸剛度檢測(cè)、能動(dòng)光學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在精密裝配領(lǐng)域，通常需要可控的加載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的精確控制，保證裝配質(zhì)量［1］；在機(jī)床行業(yè)，機(jī)床和主軸的剛度測(cè)試及可靠性載荷譜的施加需要一套加載機(jī)構(gòu)施加加載力［2－3］；在利用大口徑拼接主鏡中，為了克服重力變形的影響，需要一套可精確調(diào)整加載力的能動(dòng)加載裝置實(shí)現(xiàn)主鏡的變形補(bǔ)償［4］。通常選擇的驅(qū)動(dòng)方案有氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)加載。其中，氣動(dòng)加載需要?dú)庠矗覛飧着c活塞之間的摩擦限制了力驅(qū)動(dòng)器加載精度的提高。液壓加載需要一套液壓站，且存在壓力脈動(dòng)和易污染的缺點(diǎn)。采用電動(dòng)伺服加載，配合高精度的滾珠絲杠，具有摩擦小、運(yùn)動(dòng)分辨率高的特點(diǎn)，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)高分辨率的加載力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的力驅(qū)動(dòng)器采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠推動(dòng)加載彈簧實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力加載。力驅(qū)動(dòng)器主要由基座、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌、前加載盤、后加載盤、加載彈簧、力傳感器等零件組成。加載時(shí)，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠帶動(dòng)前加載盤沿著線性導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，前后加載盤產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使二者之間的加載彈簧壓縮產(chǎn)生加載力，加載力通過后加載盤傳遞到傳感器，并通過加載頭最終作用在加載部位上。力驅(qū)動(dòng)器的軸向力通過一對(duì)面對(duì)面的絲杠用推力角接觸器傳遞到基座上。

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的高分辨率、精度、加載范圍和加載速度，需要合理選擇加載彈簧的剛度、壓縮長(zhǎng)度，絲杠的導(dǎo)程，電機(jī)編碼器線數(shù)和額定轉(zhuǎn)速。本文采用臺(tái)達(dá)EMCA04帶有抱閘的伺服電機(jī)，編碼器線數(shù)為10 000，滾珠絲杠的導(dǎo)程為2mm，公稱直徑為14mm，彈簧的設(shè)計(jì)剛度為30 N/mm，材料選用65 Mn。根據(jù)選擇部件的參數(shù)，可以得到力驅(qū)動(dòng)器的理論輸出分辨率為：

伺服電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min，則理論加載速度為：

為了防止力驅(qū)動(dòng)器失控，在基座的上方分別設(shè)置了2個(gè)霍爾式接近開關(guān)；同時(shí)設(shè)置了一個(gè)零位開關(guān)用于電機(jī)回零。接近開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)通過運(yùn)動(dòng)控制器的EL+/－和原點(diǎn)ORG端口輸入。

力傳感器采用Interface公司的SML300lbf力驅(qū)動(dòng)器，量程為0～1 300 N，非線性為0.5％，配合專用的SGA放大器，可以實(shí)現(xiàn)滿量程輸出0～10 V。該放大器具有低通濾波和溫度補(bǔ)償功能，通過撥碼開關(guān)將靈敏度設(shè)定為最接近傳感器的值，能夠輸出準(zhǔn)確的加載力。DA/AD轉(zhuǎn)換采用NI6132同步采集卡。該卡具有16位分辨率，最大采樣速率可達(dá)500 kHz，完全能夠滿足精度和速度的要求。運(yùn)動(dòng)控制器采用雷賽公司的DMC2210兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡最大輸出脈沖頻率可達(dá)9MHz，具有梯形/S形加減速功能，采用脈沖加方向控制。

伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式?？刂扑惴ㄔ诠た貦C(jī)上執(zhí)行。上位機(jī)給定參考力，力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得加載力并通過放大和數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換送入工控機(jī)。運(yùn)行于工控機(jī)上的控制算法實(shí)時(shí)計(jì)算所需的控制位移量，由運(yùn)動(dòng)控制器將相應(yīng)的脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并壓縮加載彈簧，實(shí)現(xiàn)所需加載力的閉環(huán)控制。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 力驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle of force actuator control system

2 控制算法

由于不需要精確的控制模型且方便調(diào)整，PID控制是最普遍采用的控制方式。當(dāng)采用常規(guī)PID控制算法時(shí)，為了提高響應(yīng)速度，通常采用較大的比例增益，然而過大的比例增益會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，引入積分環(huán)節(jié)，但是積分增益過大會(huì)造成階躍響應(yīng)超調(diào)。微分環(huán)節(jié)雖然可以提高系統(tǒng)的阻尼，但是過大的微分增益會(huì)放大系統(tǒng)噪聲。可見采用常規(guī)PID控制很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。非線性PID控制能夠根據(jù)跟蹤誤差變化的不同階段自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)，在跟蹤誤差較大的階段采用較大的比例增益，當(dāng)誤差較小時(shí)比例增益也相應(yīng)減?。粚?duì)于積分增益，在跟蹤誤差較大的階段采用較小值，以避免產(chǎn)生超調(diào)，在誤差較小時(shí)采用較大的值，以快速減小穩(wěn)態(tài)誤差［5－6］。根據(jù)這一思想，分別構(gòu)造如下控制器參數(shù)：

式中：ap、bp、cp為正常數(shù)；Kp的值在區(qū)間［ap，ap+bp］變化，調(diào)整cp的大小可以調(diào)整Kp變化的速率；ai為正常數(shù)，Ki的取值范圍為（0，ai），ci的值決定了Ki的變化快慢程度。

非線性PID控制律為：

為了克服積分式PID控制的飽和問題，本文采用增量式PID算法。本文采用的控制律為：

3 粗大誤差的剔除

3σ準(zhǔn)則規(guī)定：如果測(cè)量列中某測(cè)得值xi的殘差滿足|xi－x－|＞3σ，則認(rèn)為該測(cè)得值xi含有粗大誤差，可刪除。3σ準(zhǔn)則是最常用也是最為簡(jiǎn)單的粗大誤差判別法則，在測(cè)量次數(shù)充分大時(shí)，判別的置信水平可以達(dá)到99.7％。但是在測(cè)量次數(shù)較少的情況下，特別是在測(cè)量次數(shù)n≤10時(shí)，該判別法可靠性不高，甚至無法判別粗大誤差是否存在。在系統(tǒng)實(shí)施中，在每一個(gè)伺服周期對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有限點(diǎn)采樣，采樣時(shí)間為0.01ms，點(diǎn)數(shù)為20次。利用本裝置中的同步數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)這一功能。利用上述方法對(duì)每個(gè)伺服周期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的值作為當(dāng)前施加力的采樣值參與控制算法計(jì)算。

4 試驗(yàn)

利用本系統(tǒng)測(cè)定氣體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的靜態(tài)特性，通過加載試驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)。將力驅(qū)動(dòng)器緊固在升降臺(tái)上，加載頭前端頂緊在氣體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)徑向。系統(tǒng)由力驅(qū)動(dòng)器、控制箱、工控機(jī)組成?？刂葡浒藗鞲衅髡{(diào)理電路、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服放大器、數(shù)據(jù)采集屏蔽端子。

控制算法由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用Windows的多媒體定時(shí)器TimeSetEvent（）可以實(shí)現(xiàn)1 ms的定時(shí)分辨率。該函數(shù)本質(zhì)是在操作系統(tǒng)中新開了一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的線程，同定時(shí)發(fā)送消息的SetTimer（）相比，可保證控制的實(shí)時(shí)性。本文中定時(shí)周期設(shè)定為5ms。多媒體定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)如下。

5 性能測(cè)試

力驅(qū)動(dòng)器的性能參數(shù)主要包括輸出力范圍、分辨率、精度和加載速度。為了測(cè)試輸出力范圍，在開環(huán)情況下，通過向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送固定長(zhǎng)度的脈沖，使壓縮彈簧產(chǎn)生固定的壓縮量，記錄不同壓縮量下力傳感器的輸出值，繪制的力-位移特性曲線如圖2所示。

從圖2所示的特性曲線可以看出，力驅(qū)動(dòng)器的輸出線性很好，這是因?yàn)槎ㄖ频膲嚎s彈簧具有優(yōu)良的線性度；加載力范圍為0～1 016N，驅(qū)動(dòng)器剛度為30.8 N/mm。

圖2 力驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)特性曲線Fig.2 Static characteristic curve of force actuator

當(dāng)給定加載步長(zhǎng)為10 N時(shí)，記錄不同步長(zhǎng)下力驅(qū)動(dòng)器的輸出力，測(cè)試曲線如圖3所示。此時(shí)，剛好能夠分辨出各個(gè)加載步長(zhǎng)下系統(tǒng)的響應(yīng)輸出，系統(tǒng)的閉環(huán)分辨率優(yōu)于10 N。

圖3 力驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)分辨率測(cè)試曲線Fig.3 Test curve of resolution of force actuator

力驅(qū)動(dòng)器的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。由于采用了非線性PID控制，力驅(qū)動(dòng)器輸出響應(yīng)平穩(wěn)無超調(diào)。

圖4 力驅(qū)動(dòng)器階躍響應(yīng)曲線Fig.4 Step response curve of force actuator

對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)傳感器輸出力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得，穩(wěn)態(tài)誤差的RMS為6 N。

力驅(qū)動(dòng)器對(duì)矩形方波的響應(yīng)曲線如圖5所示，矩形方波的高度為50 N。由圖5可見，控制力在穩(wěn)態(tài)能夠精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)，具有優(yōu)良的重復(fù)性精度。

圖5 力驅(qū)動(dòng)器方波響應(yīng)曲線Fig.5 Square wave response curve of force actuator

在閉環(huán)情況下，對(duì)力驅(qū)動(dòng)器輸入700 N的階躍參考信號(hào)，得到圖6所示的響應(yīng)曲線。

圖6 力驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)輸出速率測(cè)試曲線Fig.6 Test curve of closed loop output rate of force actuator

從圖6可以看出，力驅(qū)動(dòng)器的輸出力速度可達(dá)267 N/s。由于伺服驅(qū)動(dòng)器工作在位置模式，運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)定的進(jìn)給速度恒定，因此力輸出曲線的斜率恒定。通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整力的輸出速度，但為了防止超調(diào)和穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出力抖動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)定的進(jìn)給速度不能過大。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于伺服電機(jī)和彈簧加載的力驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和原理。利用非線性PID控制算法實(shí)現(xiàn)力驅(qū)動(dòng)器輸出力的全閉環(huán)控制。制作了力驅(qū)動(dòng)器的工程樣機(jī)，并對(duì)其的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，力驅(qū)動(dòng)器的輸出范圍可達(dá)1 000 N，閉環(huán)分辨率可達(dá)10 N，閉環(huán)穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)±7.5 N，加載速度可達(dá)267 N/s，具有優(yōu)良的重復(fù)加載精度和線性特性。

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Design and Test of the Servo Loading System

Pneumatic or hydraulic loading features low accurate loading force and needs extra air supply or hydraulic station，the force actuator and control system based on servomotor and elastic elementhas been developed.Aiming at the demerits of conventional PID，e.g.，unable to implement both of good dynamic and static performance，the full closed loop control of force actuator is implemented by adopting nonlinear incremental PID.With 3σcriteria，the gross error existing in force actuator and its data acquisition system is excluded，for enhancing control accuracy.The tests for performance parameters are conducted on the engineering prototype，the results indicate that the force actuator possesses excellent both static and dynamic characteristics and repeatability.

Force actuator Servo system Nonlinearity PID Control accuracy

TP274

A

修改稿收到日期：2013－12－26。

舒強(qiáng)（1986－），男，2012年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理工程師；主要從事超精密加工及檢測(cè)技術(shù)研究。