王少甲 ，高榮慧 ，翟 華 ，，龐 健

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

1 引言

地震模擬振動臺可以相對準確反映地震過程并實施人工地震波實驗，是在實驗室中研究結構抗震和破壞機制中最直接有效的方式[1]?？紤]到振動臺臺面以及結構承重的局限性，通常只能做縮尺實驗，要求模型和原結構之間符合動力相似性條件[2]。隨著實際工程試驗中對環(huán)境變量的要求越來越復雜，震動控制策略研究越來越深入，尤其是在大型結構抗震研究中，振動臺尺寸也不可能制作無限過大，單一的地震模擬振動臺逐漸無法達到要求，由多臺振動臺組合而成的多臺陣顯得更為靈活和適合。當把大型臺陣變?yōu)閱握駝优_使用時，必須實現(xiàn)臺陣中各振動臺的運動同步。

目前來看，基于PC的控制系統(tǒng)在工控領域成為趨勢。PC-based控制技術就是把具有實時處理能力的控制軟件安裝在PC操作系統(tǒng)中，使其變?yōu)閷崟r控制器。拓展的PC機完全代替PLC、NC/CNC那些大型的控制設備，變成了控制中心，同時也成為了通訊的樞紐，可完成任務的實時控制、通訊、監(jiān)控和網(wǎng)絡等多種功能。它具有高速、高計算能力、高可靠性、使用方便以及硬件選擇靈活、兼容性好等各種優(yōu)點。德國BECKHOFF公司的TwinCAT就是使用以上技術的軟控制器產(chǎn)品。同時實時以太網(wǎng)具有以太網(wǎng)的優(yōu)點和工業(yè)自動化技術的實時精確性，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和高效的確定通信協(xié)議，對實時性和精確性要求極高的各種工業(yè)控制環(huán)境極其適用，實時以太網(wǎng)技術已經(jīng)成為工業(yè)控制技術發(fā)展的趨勢[3]。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)原理及特征

EtherCAT不僅有高速和在處理高數(shù)據(jù)時有高效率等特性，而且布線可以靈活操作，它采取主從式網(wǎng)絡布局，可以靈活選擇網(wǎng)絡拓撲結構。

EtherCAT主站同時負責和從站的通信以及主從網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)讀取控制的布置。伺服驅動器從站具有兩個方面的功能，一方面是通訊作用，包括和主站系統(tǒng)的通訊以及和其他從站的通訊；另一方面是關于控制伺服系統(tǒng)和獲取其反饋數(shù)據(jù)的[4]。在主站中通過對系統(tǒng)管理器（TwinCATSystem Manager）對從站進行讀取和配置，組建主站與從站之間的關系。主站和從站的通訊過程：從站軟件接通電源進入初始化與主站形成通信，并完成寄存器的重置等。然后進入任務運行的周期階段，從站會從EtherCAT網(wǎng)絡上獲取控制命令，發(fā)送給驅動器處理相關的指令，之后從驅動器獲取反饋信息并把反饋回來的信息送回主站的控制器。

下行報文由主站發(fā)送給第一個連接的從站，再傳送給下一級從站，最后由最后連接的從站發(fā)回處理完的報文至第一從站，然后發(fā)送回主站，各從站可直接處理報文。整個過程展現(xiàn)EtherCAT的獨立、雙全工特點，讀寫數(shù)據(jù)過程一般只有納秒級延時。

2.2 EtherCAT分布式時鐘

從站要有專用的從站控制芯片ESC（EtherCATslavecontroller），分布式時鐘 DC（Distributed clock）存在于 ESC 中。分布時鐘的同步機制是使所有的設備同步與主站連接的第一個DC從站，該從站作為主站和其他從站的參考時鐘。所有設備具有相同的系統(tǒng)時間，在各設備在同一時間接收到同步信號時，控制各設備的任務同步的執(zhí)行。

EtherCAT的DC理論是基于IEEE1588時鐘同步協(xié)議，并在此基礎上添加了時鐘同步算法進行改進。EtherCAT時鐘同步算法主要包括：測量傳輸延時并對初始時鐘的偏移進行計算，對時鐘的同步補償和動態(tài)補償[5]。

在周期性數(shù)據(jù)通訊模式把從站設備模式設置為同步與分布式時鐘同步事件，本地周期觸發(fā)由SYNC事件觸發(fā)完成。分布式時鐘產(chǎn)生兩個同步信號SYNC0和SYNC1，用于底層應用的中斷控制或觸發(fā)數(shù)字量的輸入輸出。

分布式時鐘功能通過讀取ESC寄存器來實現(xiàn)，當寄存器中有數(shù)據(jù)寫入時，發(fā)出中斷信號通知控制器，此過程中應把過程數(shù)據(jù)位置對應的ESC中斷控制寄存器地址為（0X0204-0X0207）設置為映射狀態(tài)，驅動控制器以SPI協(xié)議讀取ESC輸出的數(shù)據(jù)并處理，發(fā)送脈沖控制信號對伺服電動機進行控制。

2.3 系統(tǒng)的控制策略

系統(tǒng)為全數(shù)字伺服系統(tǒng)，控制原理，如圖1所示。

振動臺的開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)可用式（1）表示：

式中：ωh—系統(tǒng)固有頻率；ζh—系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；kv—系統(tǒng)的開環(huán)增益[6]。

圖1 三環(huán)伺服控制原理Fig.1 The Principle of Three Ring Servo Control

在閉環(huán)系統(tǒng)中引入三參量反饋因子后的控制原理圖，如圖2所示。

圖2 三參量反饋控制原理圖Fig.2 Three-Variable Control Schematic Diagram

引入三參量反饋后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：kdf—位移的反饋增益；kvf—速度反饋增益；kaf—加速度反饋增益。

由以上可見，增大kvf可以增加系統(tǒng)的固有頻率，增大kaf可以增加系統(tǒng)的阻尼比。

系統(tǒng)采用位置控制、速度控制和力矩/電流控制的三環(huán)結構，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，提高了系統(tǒng)阻尼比和共振頻率，從而擴寬了系統(tǒng)的頻率使用范圍[6]。在每個控制環(huán)引入了PID調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)更加準確穩(wěn)定達到控制效果。

TwinCAT經(jīng)過TwinCATNC的中轉來控制伺服驅動器。伺服軸在每個NC運行周期到達目標設定的位置，按照軸的差異及對應的參數(shù)設置，得出輸出變量的值發(fā)送給驅動器。如果驅動器工作在位置模式，那NC只是每個周期提供位置設定值（Pset）給驅動器，三個控制環(huán)的PID均由驅動器完成；如果驅動器工作在速度模式，那NC每個周期提供速度設定值（Vset）給驅動器，Vset是NC根據(jù)目標位置速度值及實時反饋的位置速度值經(jīng)過PID后得出的值，這個過程是由NC內(nèi)部自動完成。

3 伺服運動系統(tǒng)設計

3.1 機械系統(tǒng)設計

臺陣由相同的3臺相同的振動臺平行排列組成，每臺振動臺皆具有X-Y軸兩自由度，如圖3、圖4所示。

圖3 振動臺三臺陣右視圖Fig.3 Three Shaking Table Array in the Right View

圖4 振動臺三臺陣主視圖Fig.4 Three Shaking Table Array in the Main View

其中X軸方向運動由一臺倍福公司型號為AM8071同步伺服電動機連接滾珠絲杠完成，Y軸方向運動由兩臺型號為AM8061同步伺服電動機連接滾珠絲杠共同驅動。通過三臺振動臺在X軸、Y軸的同步運動最終合成臺陣所需要的運動方式。

3.2 系統(tǒng)平臺的總體結構

本實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡的通訊方式為直接通訊模式。直接模式是一個串行網(wǎng)絡，主站設備直接與從站相連，從站再與下一個從站相連，數(shù)據(jù)幀一級一級向后發(fā)送。

伺服控制系統(tǒng)的EtherCAT主站由某公司CX5130嵌入式控制器和TwinCAT工控軟件來擔任，從站包括3個AX5118單通道伺服驅動器和3個AX5206雙通道伺服驅動器。其中每個AX5118伺服驅動器控制一個獨立的振動臺X軸同步伺服電機，每個AX5206伺服驅動器控制單個振動臺Y軸方向運動的兩個同步伺服電機。

各伺服驅動器與對應的伺服同步電機連接后最終完成整個三臺陣伺服同步控制系統(tǒng)的搭建示意圖，如圖5所示。

在各伺服驅動器內(nèi)部封裝有EtherCAT通訊模塊，能夠實現(xiàn)主從站以及從站與從站間的通訊。從站完成網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸以及讀取和反饋運動系統(tǒng)的編碼器的位置信號、速度信號和轉矩信號。利用一主站六站的網(wǎng)絡布局，實現(xiàn)同步的動態(tài)命令傳遞以及獲取反饋信息的目的，完成多軸之間高度運動同步[7]。

圖5 伺服運動系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Servo Motion System

3.3 伺服運動控制系統(tǒng)軟件設計

為了實現(xiàn)三臺陣預先要求實現(xiàn)的動作，本軟件程序主要控制三振動臺X方向的3臺永磁同步伺服電機同步運動和Y方向的6臺永磁同步伺服電機同步運動。最終實現(xiàn)三臺陣與各單臺振動臺運行方式一致。

Beckhoff公司的運動控制軟件為TwinCATNCPTP，NCPTP即點對點運動控制。TwinCATNC是基于PC的純軟件的運動控制，它的功能與傳統(tǒng)的運動控制模塊、運動控制卡類似。由于TwinCATNC與PLC運行在同一個CPU上，運動控制和邏輯控制之間的數(shù)據(jù)交換更直接、快速，因此TwinCATNC比傳統(tǒng)的運動控制器更加靈活和強大[8]。TwinCATNCPTP把一個電機的運動控制分為三層：PLC軸、NC軸和物理軸。PLC程序中定義的軸變量，叫做PLC軸。在NC配置界面定義的AXIS，叫做NC軸，在IO配置中掃描或者添加的運動執(zhí)行和位置反饋的硬件，叫做物理軸。NC軸如果關聯(lián)到物理軸，就是實軸，如果不關聯(lián)到任何硬件，就是虛軸[9]。這里把3個X軸耦合到一個虛軸Axis_X_Master，6個Y軸耦合到一個虛軸Axis_Y_Master，通過控制兩個虛軸的運動，實現(xiàn)三振動臺的平穩(wěn)的同步控制。

3.3.1 系統(tǒng)配置

通過編程PC對控制器進行配置，使控制器和各伺服驅動器處于同一網(wǎng)段。Twin CATSystemManager在Config Mode模式下，右擊“I/O-Configuration”下的“I/ODevices”，選擇“Scan Devices”查找本系統(tǒng)的I/O設備，掃描從站設備。在NC-configuration中可以找到所有的NC軸，并自定義添加兩個虛軸Axis_X_Master和Axis_Y_Master，獲取NC軸信息。在I/O-Configuration-＞I/O Devices-＞Device1（EtherCAT）中顯示各驅動器中進行電源配置以及配置各通道的電機型號和反饋類型等。點擊“Activate Configuration”激活配置，并保存生成.tsm格式的文件。

3.3.2 運動控制程序的開發(fā)

本運動系統(tǒng)控制程序的開發(fā)環(huán)境為TwinCATPLCControl。在TwinCATPLCControl中提供的編程語言符合IEC61131-3可編程序控制器編程語言國際標準的要求。

整個運動控制的流程如下：

定義一個二維數(shù)組，其中數(shù)組的每一行的4列元素分別代表設定X軸和Y軸運行的位置、速度、加速度、減速度數(shù)值，每一行四列的數(shù)組決定了振動臺在這段距離內(nèi)到達所設定位置的運動方式。通過依次不斷地調(diào)用每一行數(shù)組，完成每段運動，即可把每段運動連接起來實現(xiàn)完成預定的運動。運動控制部分程序流程圖，如圖6所示。本振動臺運動主要依靠MC_MoveAbsolute絕對運動功能塊實現(xiàn)主軸的連續(xù)運動。主軸的運動參數(shù)（位置、速度、加速度、減速度數(shù)值），利用循環(huán)不斷輸入功能塊中。

系統(tǒng)當檢測到控制柜停止按鈕或上位機停止或安全保護裝置發(fā)出的信號時，各振動臺就會立即停止運動：

bEdgeDOWN［1］（CLK：=DI_Input［3］.4）；

bEdgeDOWN［2］（CLK：=DI_Input［6］.4）；

bEdgeDOWN［3］（CLK：=DI_Input［9］.4）；

（*下降沿檢測器功能塊輸入?yún)?shù)設定*）

bEdgeUP［2］（CLK：=bStop OR bEdgeDOWN［1］.Q ORbEdgeDOWN

［2］.QOR bEdgeDOWN［3］.Q ）；

（*上升沿檢測器功能塊輸入?yún)?shù)設定，檢測到其中一個信號，輸出

bEdgeUP［2］.Q 為真 *）

IFbEdgeUP［2］.Q THEN

stop1：=TRUE；

stop2：=TRUE；（*軸運動停止功能塊參數(shù)輸入*）

END_IF

圖6 運動控制程序段流程圖Fig.6 Section Flow Chart of Motion Control Program

4 系統(tǒng)同步性驗證

為了驗證系統(tǒng)各從站之間數(shù)據(jù)通訊的同步性和EtherCAT用于伺服系統(tǒng)的底層閉環(huán)控制效果，設計了基于EtherCAT技術的三臺陣系統(tǒng)。搭建的振動臺三臺陣，如圖7所示。

圖7 地震模擬振動臺三臺陣Fig.7 The Combination of Three Earthquake Simulation Shaking Table

基于EtherCAT網(wǎng)絡，搭建一主六從的伺服控制系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)包括3套基本伺服系統(tǒng)電氣控制柜。每臺控制柜主要負責對應的振動臺運動控制以及信息傳遞，兩套控制柜嵌入式控制器CX5130位于首臺伺服控制柜中，如圖8所示。作為三臺陣的運行保護裝置，同步檢測裝置，如圖9所示。裝置兩個底板分別安裝在相鄰兩振動臺臺面下部，當檢測到兩振動臺運行不同步時發(fā)出緊急停止運行信號。

圖8 伺服控制柜Fig.8 Servo Control Cabinet

圖9 同步檢測裝置Fig.9 The Synchronous Detection Device

4.1 同步信號測試及結果

從站通訊模式設置為分布式時鐘同步，1號從站作為參考時鐘，各從站按照設置的周期同步的輸出中斷信號，用示波器同時捕捉1號從站和3號從站發(fā)出的中斷信號來檢測各從站通訊的同步性。檢測到的信號偏差，如圖10所示。

圖10 中斷信號的示波器顯示Fig.10 The Oscilloscope Display of Interrupt Signal

圖中橫坐標方向每格距離表示200ns，可以計算出兩從站的輸出信號存在60ns的偏差。顯示出EtherCAT的各從站之間通訊同步性非常好。輸出信號60ns的抖動，反映在高速運動中也不過只有μm級的誤差。

4.2 振動臺臺陣運動同步性測試

運行試驗臺并執(zhí)行40s運行程序后，使用TwinCAT自帶的電子示波器Scope View觀察運動軸的運動信息。

定義示波器視窗，添加各運動軸位置監(jiān)視通道，在監(jiān)視通→Acquisition→Change中選擇輸入NETID，并選擇端口。在點擊Reload Symbols后，顯示出可以觀察的軸的各種變量（包括運動軸的位置、速度、加速度、力矩、跟隨誤差等信息）。在這里為了觀察各運動軸的同步運動狀況，分別選擇需要完全同步的三個振動臺X軸的位置信息，如圖11所示。

圖11 運動軸的位置信息Fig.11 Position Information of Motion Axes

為了辨別軸的位置同步性，把三個軸的位置曲線同時在一張視圖顯示，圖中疊加的曲線為各振動臺X軸運動位置曲線，運動范圍為（-100mm，100mm）。結果顯示選定的各振動臺X軸運動位置曲線均高度重合，并且在連續(xù)運行40s的過程中同步檢測裝置沒有觸發(fā)急停信號，完成了三振動臺同步運動。

5 結束語

EtherCAT基于分布式時鐘機制保證了設備通訊和任務控制信號的同步性；依托三參量反饋控制并在每個控制環(huán)使用PID調(diào)節(jié)，提高整個伺服運動控制的準確性。系統(tǒng)綜合以上優(yōu)勢，反映在實際運動表現(xiàn)中各同步軸精確同步運行。基于實時超高速以太網(wǎng)EtherCAT技術設計出高性能的大型地震模擬振動臺三臺陣運動系統(tǒng)，給出完整的軟硬件方案，完成了多臺振動臺精確同步運動。該系統(tǒng)通訊性能好、I/O響應速度快、系統(tǒng)軟硬件集成度高，并能夠承擔起大型實時數(shù)據(jù)傳遞和多任務處理，EtherCAT技術非常適用于對響應快、同步性要求高的場合。