張 黎 馬星博 胡由宏

基于Kollmorgen伺服運動控制的靜力加載系統(tǒng)研究

張 黎 馬星博 胡由宏

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

不同于常規(guī)的靜熱復(fù)合試驗靜力加載需求，本文針對試驗需求中響應(yīng)速度快，位置控制精確，多點多域小載荷分布加載，按真實飛行歷程實現(xiàn)靜熱同步加載，通過對多軸伺服運動控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，設(shè)計了基于Kollmorgen伺服運動控制的靜力加載系統(tǒng)。進行了最小系統(tǒng)的搭建與調(diào)試，并在MOOG Smartest航空測試控制系統(tǒng)中，按正式試驗給出飛行譜完成了試驗控制，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性，試驗的安全保護、應(yīng)急等功能，測控精度大大高于液壓伺服加載，具有較高的可靠性和拓展性。

伺服運動控制系統(tǒng)；EtherCAT總線；AKD伺服驅(qū)動器；AKM伺服電機；Kollmorgen電動缸；MOOG靜力加載系統(tǒng)

1 引言

針對地面模擬飛行器真實飛行歷程、氣動熱環(huán)境、機械載荷環(huán)境試驗的需求越來越高，試驗考核指標(biāo)更加嚴(yán)苛。實現(xiàn)多點、多域靜力協(xié)調(diào)加載測控的難度也隨即增加。在靜力加載動態(tài)性和位置精確性要求極高時，目前的液壓伺服加載已無法實現(xiàn)。

本文研究將伺服運動控制與EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)運用于伺服控制領(lǐng)域，通過對電子齒輪與凸輪實現(xiàn)多軸同步控制[1～4]。將多個控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機等設(shè)備嵌入該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中[5，6]，由MOOG工作站控制整個網(wǎng)絡(luò)，通過與伺服驅(qū)動器進行數(shù)據(jù)通信，以外部模擬方式、速度方式控制伺服驅(qū)動器[7，8]，選擇Kollmorgen電動缸與液壓伺服油缸共同作為執(zhí)行機構(gòu)，以電液混合控制方式，完成靜力加載任務(wù)。

2 基于Kollmorgen的伺服運動控制系統(tǒng)組成

圖1 伺服運動控制系統(tǒng)組成

如圖1，選擇FCS_MOOG Smartest 作為主站，MOOG_SCU作為運動控制器，EtherCAT總線作為驅(qū)動總線、高速I/O和通訊總線，伺服驅(qū)動器選擇Kollmorgen AKD-P01207-NBEC-0000作為從站[9～11]，伺服電機及電動缸選擇Kollmorgen EC4-AKM52L系列。

3 基于Kollmorgen自動化系統(tǒng)組件的最小系統(tǒng)設(shè)計

3.1 最小系統(tǒng)組成

圖2 基于Kollmorgen自動化系統(tǒng)組件的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，載荷信號傳送給驅(qū)動器；直線電動缸的動力電纜和編碼器反饋電纜為成套線纜，直接與驅(qū)動器相連接。

3.2 最小系統(tǒng)控制閉環(huán)

圖3 最小系統(tǒng)控制閉環(huán)示意圖

如圖3所示，配置1臺運動控制器，型號為AKC-PCM-M1-120-00N-00-000，通過在控制器上開發(fā)特定功能的控制軟件，在AKD中完成控制閉環(huán)[12，13]，使電動伺服系統(tǒng)成為一套獨立系統(tǒng)，脫離MOOG控制系統(tǒng)而單獨工作。

4 靜力加載系統(tǒng)設(shè)計

4.1 靜熱復(fù)合試驗靜力加載方案設(shè)計

在靜熱復(fù)合試驗中，由于加載工裝對加熱器的遮擋而引起熱場損失；加熱輻射下剛強度下降，施加靜力載荷的原則是將面載荷等效為集中力載荷。

圖4 靜熱聯(lián)合試驗中加載示意圖

圖4中的靜力加載方案，加載工裝部分位于加熱區(qū)域內(nèi)部。設(shè)計的加載桿、加載塊和加載環(huán)內(nèi)部為中空水冷的結(jié)構(gòu)，其目的是降溫，而帶冷卻功能的加載工裝設(shè)計極為復(fù)雜。加載工裝與試驗件接觸面通過耐高溫的金屬編織墊作過渡，最后連接至加載桿，并伸出加熱區(qū)外連接伺服油缸或者電動缸。

4.2 靜力加載系統(tǒng)組成

圖5 電動加載裝置與MOOG SmartTest組成靜力加載系統(tǒng)

如圖5所示，直線電動缸、電機伺服驅(qū)動器AKD、MOOG控制器SCU、雙橋載荷傳感器、變送器、驅(qū)動器機柜、電纜等組成了靜力加載系統(tǒng)。

4.3 配合MOOG控制系統(tǒng)完成的功能

a. 電動加載裝置與MOOG 控制器之間傳輸信號：載荷、位移、伺服閥輸出、I/O使能、I/O故障。伺服驅(qū)動器與直線電動缸之間傳輸信號：電機驅(qū)動動力電、編碼器反饋、極限保護；

b. 實現(xiàn)5個通道靜力同步加載；

c. 具有基于力、位移控制方式；

d. 輸出周期波控制指令：正弦、方波、斜波；

e. 系統(tǒng)具備傳感器斷線、短路檢測報警保護功能；

f. 系統(tǒng)掉電時，能及時保護現(xiàn)場，并以后備電源進行卸載；

g. 在試驗過程中，能隨時對加載、卸載、啟動、停止、加載速率、控制參數(shù)、應(yīng)急載荷進行人工干預(yù)；

h. 在加載控制過程中，使用雙橋載荷傳感器，實時監(jiān)控載荷值，設(shè)定相應(yīng)的安全限、報警極限、保護極限；

i. 系統(tǒng)精度：靜態(tài)控制精度<±1%FS；動態(tài)控制精度<±2%FS；

j. 集成1臺控制器、5臺驅(qū)動器于驅(qū)動柜中，設(shè)置急停按鈕。

4.4 電動伺服控制系統(tǒng)的安全保護

a. 在電氣控制柜和現(xiàn)場設(shè)置電源開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，使用這些開關(guān)能夠斷開電機的驅(qū)動電源，確保設(shè)備的安全；

b. 試驗現(xiàn)場設(shè)置急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)意外時，可切斷驅(qū)動器使能信號，緊急卸載以保護試驗件；

c. 在加載過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部破壞時，或觸發(fā)安全限時，系統(tǒng)安全反應(yīng)時間<100ms，系統(tǒng)自動執(zhí)行相應(yīng)的保護策略（三級），進行現(xiàn)場保護；

d. 直接由MOOG系統(tǒng)發(fā)送制動指令，停止電機驅(qū)動器的工作，電機進入制動狀態(tài)。

4.5 驅(qū)動器柜電氣設(shè)計

圖6 驅(qū)動柜電氣連接圖

如圖6所示，按下現(xiàn)場急停后，所有驅(qū)動器STO失效。每個驅(qū)動器的X8接頭4號引腳共同接入MOOG控制器的I/O使能，當(dāng)MOOG系統(tǒng)試驗開啟startup時，驅(qū)動器為使能狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)安全限或按下MOOG系統(tǒng)急停，導(dǎo)致failsafe，使能關(guān)閉。X8接頭5、6號引腳接入限位開關(guān)信號，當(dāng)限位觸發(fā)時，可使電機停止運動。驅(qū)動器X7的5引腳為數(shù)字量輸出給MOOG控制器，可返回底層驅(qū)動器的各種邏輯狀態(tài)。

4.6 控制閉環(huán)設(shè)計

如圖7所示，驅(qū)動器的X8接頭的7、8號引腳輸出模擬量±10V，給MOOG控制器的SCU傳送電動缸位移信號；驅(qū)動器的X8接頭的9、10號引腳是±10V的模擬量輸入信號，接受MOOG控制器的SCU傳送的伺服閥電壓信號；載荷信號接入MOOG控制器SCU，作為力控閉環(huán)反饋。

圖7 MOOG控制系統(tǒng)控制閉環(huán)示意圖

4.7 電磁兼容性與系統(tǒng)可靠性設(shè)計

a. 設(shè)計采用Kollmorgen伺服執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動器模塊，適合環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場控制；

b. 現(xiàn)場控制信號采用屏蔽護套電纜，屏蔽層與屏蔽機箱低阻抗連接，機柜分區(qū)布線；

c. MOOG工作站完成試驗進程的自動化管理、數(shù)據(jù)采集、分析、處理、系統(tǒng)硬件自檢和事故的實時處理。

5 最小系統(tǒng)調(diào)試

現(xiàn)場采用滿足一個驅(qū)動器配置與MOOG系統(tǒng)搭建出最小系統(tǒng)，以驗證方案的可行性；驗證急停動作有效性；驗證MOOG控制驅(qū)動器使能狀態(tài)；驗證軟件限位可靠性；驗證控制閉環(huán)正確性；驗證力控/位控模式下的測控精度。

首先，發(fā)送控制指令，使電動缸執(zhí)行機構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置，并重復(fù)多次，以驗證控制系統(tǒng)功能是否健全，性能是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求。其次，控制系統(tǒng)仿真運行，驗證整套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、同步性、控制能力、安全性，如停電、過載等緊急狀態(tài)下的應(yīng)急保護功能。再次，修正系統(tǒng)位置偏差，在MOOG控制系統(tǒng)中完成位移標(biāo)定。最后，配置載荷譜，運行加載試驗任務(wù)，調(diào)諧控制參數(shù)，使控制精度滿足需求。

圖8 位控26sin2

圖9 位控26sin2跟隨偏差

測試工況為位控模式下120sin0.1、80sin0.1、26sin2，驗證了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、同步性。圖8、圖9中，動態(tài)疲勞工況26sin2，V＞300mm/s，其全程跟隨實時偏差在0.3%，是目前液壓伺服加載無法實現(xiàn)的測控精度。總體來說，空載位移測試控制的動態(tài)精度達(dá)到0.5%以內(nèi)。

圖10 力控failsafe1

圖11 力控failsafe2

如圖10、圖11中，驗證了試驗緊急狀態(tài)下的急停動作；在MOOG系統(tǒng)中設(shè)定液壓級的力載荷安全限，并能在毫秒級響應(yīng)，實現(xiàn)應(yīng)急保護。

6 試驗

圖12 驅(qū)動器層參數(shù)配置

如圖12，在驅(qū)動器層KollmorgenWorkbench平臺上，設(shè)置驅(qū)動器項參數(shù)，工作模式設(shè)為模擬+速度；上線讀取各驅(qū)動器信息、伺服電機參數(shù)等；其次，設(shè)置反饋1、單位模型、限幅；再給出模入/模出的比例增益，最后定義DIO的返回邏輯，并確認(rèn)啟用/禁用邏輯[14]；對于重要參數(shù)變量可以開啟示波器監(jiān)視。

進入MOOG SmarTest控制系統(tǒng)，將電動缸作為執(zhí)行機構(gòu)，即可默認(rèn)為伺服液壓缸。定義的試驗類型、PID控制參數(shù)、安全保護參數(shù)都與液壓伺服控制類似，腳本定義也一致，定義載荷譜完全沿用。單通道諧波調(diào)試，以確認(rèn)控制通道的調(diào)諧參數(shù)適應(yīng)性，方可進入正式試驗。

圖13 電動缸靜力加載控制與偏差1

圖14 電動缸靜力加載控制與偏差2

如圖13、圖14所示，模擬飛行歷程完成了靜力小載荷加載試驗。試驗全程任意時刻的跟隨偏差（命令-反饋）/命令都在0.2%以內(nèi)，其測控精度同比伺服液壓控制高很多。

圖15 靜力加載混合控制1

圖16 靜力加載混合控制2

如圖15、圖16所示，電動缸與液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，混合控制完成兩點靜力加載試驗。大載荷選用伺服液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，小載荷則選用電動缸作為執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)與試件連接時，電動缸絲杠與試件盡可能選擇柔性連接方式，以減小伺服電機速度環(huán)前端增益，利于消除系統(tǒng)振蕩。試驗流程、控制策略、安全保護模式、應(yīng)急啟動、腳本定義等都可以沿用靜力加載試驗類型，最后由試驗數(shù)據(jù)分析出，小載荷電動伺服加載的測控效果優(yōu)于液壓伺服控制。

7 結(jié)束語

本文通過對伺服驅(qū)動技術(shù)、伺服運動控制系統(tǒng)的研究與分析，利用電動伺服執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)速度快、控制精度高，底層硬件配置靈活簡單的特點，設(shè)計了基于Kollmorgen伺服運動控制的靜力加載系統(tǒng)，將Kollmorgen電動缸與液壓伺服油缸共同作為執(zhí)行機構(gòu)，將底層驅(qū)動器與MOOG Smartest SCU控制器兼容，充分運用MOOG航空測試控制技術(shù)，完成電動伺服與液壓伺服混合控制，試驗證明系統(tǒng)動態(tài)性能良好，力控、位控的靜態(tài)控制精度相比液壓伺服控制高很多，且同樣具備液壓伺服系統(tǒng)的高可靠性、穩(wěn)定性，即應(yīng)用伺服運動控制技術(shù)拓展了靜力加載試驗技術(shù)領(lǐng)域。

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A Study of Static Loading System Based on Kollmorgen Servo Motion Controlling

Zhang Li Ma Xingbo Hu Youhong

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076)

Aiming at the characteristics of fast response, accurate position control, distributed loading of multi-point and multi-area, and synchronized thermal-mechanical loading based on real flight history, which are different from conventional static loading requirements in thermal-mechanical test, this paper designs a static loading system based on Kollmorgen servo motion control through the research and application of servo motion control technology. Small system is established and debugged, flight loading spectrum is given in MOOG Smartest aviation test control system, and test control is conducted. The results show that the system design is correct, security protection and emergency functions are valid, the measurement and control accuracies are much higher than that of hydraulic servo loading system, and the present system has strong reliability and expansibility.

servo motion controlling system；EtherCAT BUS；AKD servo driver；AKM servo motor；Kollmorgen electric actuator；MOOG static loading system

張黎（1968），高級工程師，計算機科學(xué)技術(shù)專業(yè)；研究方向：熱強度試驗技術(shù)。

2019-05-13