燕晨耀，吝繼鋒，張清勇

(中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實驗室，陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著工業(yè)自動化及電子技術(shù)的發(fā)展，基于電動缸的伺服加載系統(tǒng)應(yīng)運而生。伺服電動缸是將伺服電機以及機械傳動裝置一體化設(shè)計的集成產(chǎn)品。伺服電機通過滾珠絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，通過傳動機構(gòu)的直線運動直接輸出推出力，將輸出力矩作用于被控對象[1]。航空結(jié)構(gòu)強度試驗中，廣泛使用液壓伺服系統(tǒng)進行載荷施加。液壓伺服系統(tǒng)的組成比較復(fù)雜，需要成套系統(tǒng)的支持。相比于基于液壓作動筒的電液式伺服加載，基于伺服電動缸的電動式加載具有能源取用方便、響應(yīng)快、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。另外，電動伺服加載系統(tǒng)中多執(zhí)行器的同步性高，電動缸控制精度高，容易達到同步協(xié)調(diào)。伺服電動缸控制技術(shù)的不斷完善，使電動伺服加載系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)強度試驗中的應(yīng)用成為一種必然趨勢。

目前，對電動伺服加載技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在力矩閉環(huán)控制及位置閉環(huán)控制[2-7]，張柁等[6]首次將電動缸引入起落架疲勞試驗，但只利用了伺服電動缸位置控制精準的優(yōu)勢，在伺服電動缸位置控制的基礎(chǔ)上采用伺服液壓缸進行隨動加載，而沒有對電動式力控加載技術(shù)進行研究。本文結(jié)合飛機結(jié)構(gòu)強度試驗的應(yīng)用場景，首次引進電動式伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)力控加載，通過對電動伺服加載控制方法進行研究，設(shè)計一套電動伺服加載系統(tǒng)，并在結(jié)構(gòu)強度試驗中進行驗證及調(diào)試。電動式伺服加載系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服電動缸加載系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)方案

2.1 電動伺服模塊選型

電動伺服系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動器和伺服電動缸。伺服驅(qū)動器按照指令給定方式可分為模擬量型、脈沖序列型和通信型。飛機結(jié)構(gòu)強度試驗現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，模擬信號容易疊加噪聲成分而被干擾。模擬量信號和脈沖序列在傳輸時抗干擾性差，不適于遠距離控制[8]。通信型伺服驅(qū)動器通過通信直接更改伺服驅(qū)動器內(nèi)存寄存器的值，采用總線通信的伺服驅(qū)動器適用于多通道多軸組網(wǎng)控制，滿足飛機強度試驗多通道協(xié)調(diào)加載的需求。EtherCAT總線傳輸速率快，采用分布式時鐘，可明顯改善實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延[9]。帶EtherCAT通信的伺服驅(qū)動器可以準確、同步、快速地采集伺服電機的位置、速度及力矩等測量信號[10]，符合飛機強度試驗多通道精確控制的特點[11]。因此，本文選用帶EtherCAT通信的伺服驅(qū)動器進行測試，具體為BECKHOFF公司AX5203伺服驅(qū)動器，采用TwinCAT軟件實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器控制及采集數(shù)據(jù)。伺服電機與伺服驅(qū)動器配套使用，為AM8543交流永磁同步電機。

目前，全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實驗室現(xiàn)有的多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)為MTS FlexTest200控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的控制精度及豐富的控制形式，主要用于液壓伺服系統(tǒng)控制，其伺服輸出信號為模擬電流信號[12]。選擇BECKHOFF公司CX5020嵌入式控制器對MTS控制系統(tǒng)伺服輸出信號進行轉(zhuǎn)換、解調(diào)處理，嵌入式控制器與TwinCAT自動化軟件相結(jié)合，可執(zhí)行極其復(fù)雜的運動控制。電動伺服系統(tǒng)模塊如圖2所示。

(a)嵌入式控制器 (b)伺服驅(qū)動器 (c)同步伺服電機

2.2 系統(tǒng)設(shè)計及控制原理

在現(xiàn)有的雙控制器及電動伺服模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于復(fù)合控制的電動伺服加載系統(tǒng)。采用伺服驅(qū)動器中的速度閉環(huán)跟蹤舵機的運動，采用MTS控制系統(tǒng)力閉環(huán)來修正伺服電動缸系統(tǒng)的輸出力。MTS控制系統(tǒng)采用PIDF控制算法，利用載荷譜命令與載荷傳感器反饋形成基于誤差控制的力閉環(huán)回路，伺服輸出電流模擬量信號被BECKHOFF嵌入式控制器采樣并轉(zhuǎn)換，經(jīng)過信號解調(diào)和處理之后，嵌入式控制器以EtherCAT總線與伺服驅(qū)動器通信，伺服驅(qū)動器接收嵌入式控制器的總線信號從而驅(qū)動伺服電機進行運動。伺服電機的速度反饋和驅(qū)動信號形成速度閉環(huán)回路，TwinCAT對伺服驅(qū)動器進行控制及數(shù)據(jù)采集，速度閉環(huán)PI控制參數(shù)通過TwinCAT軟件進行調(diào)整。伺服電機的電流環(huán)參數(shù)不用調(diào)整，MTS控制系統(tǒng)與BECKHOFF嵌入式控制器組成復(fù)合控制系統(tǒng)，用于完成結(jié)構(gòu)強度試驗電動伺服加載系統(tǒng)的復(fù)合控制?？刂圃砜驁D如圖3所示。

圖3 雙系統(tǒng)復(fù)合控制原理

3 測試平臺搭建及操作流程

3.1 測試平臺搭建

為了驗證基于復(fù)合控制的電動伺服加載系統(tǒng)的有效性，搭建懸臂框的結(jié)構(gòu)強度測試平臺(如圖4所示)。測試平臺包括4個力控加載點，在懸臂框的4個節(jié)點處用螺栓耳片連接，懸臂框與電動缸的連接方式為硬式連接，加載方向為垂向加載。懸臂框根部固定在立柱上。試驗加載設(shè)備主要為伺服電動缸和測力傳感器，具體參數(shù)如表1所示。所使用的1t電動缸行程為500mm，最大速度為100mm/s。力傳感器精度為0.3級，在使用前已按規(guī)程校準/檢定合格，并在有效期內(nèi)。伺服電機額定扭矩為3.5N·m，額定轉(zhuǎn)速為2500rpm。伺服驅(qū)動器與嵌入式控制器的網(wǎng)絡(luò)擴展模塊以EtherCAT總線連接，力閉環(huán)PIDF參數(shù)和載荷譜在MTS AeroPro控制軟件中進行配置，速度閉環(huán)PI參數(shù)及伺服電機運行參數(shù)可在TwinCAT控制軟件中進行配置。

(a)懸臂框及伺服電動缸 (b)伺服驅(qū)動器控制柜

表1 試驗加載設(shè)備使用信息

3.2 測試操作流程

在進行測試前，需要對每個力傳感器通道進行校驗，校驗的過程需在電動伺服系統(tǒng)使能之前進行，否則校驗結(jié)果會受到電磁干擾。在確認傳感器參數(shù)配置正確的前提下，對傳感器進行調(diào)零以及電動缸拉壓測試。雙控制系統(tǒng)使能，由MTS控制系統(tǒng)發(fā)出載荷指令，BECKHOFF控制器收到載荷指令后，對控制信號進行轉(zhuǎn)換、處理并驅(qū)動伺服電動缸，根據(jù)時域響應(yīng)曲線，同時調(diào)試力閉環(huán)和速度閉環(huán)參數(shù)，以保證加載精度。如果加載過程不穩(wěn)定或出現(xiàn)意外情況，則由現(xiàn)場應(yīng)急、系統(tǒng)超差和超限保護等安全保護措施及時終止試驗。電動伺服加載系統(tǒng)測試的操作流程如圖5所示。

圖5 操作流程圖

4 系統(tǒng)測試

在搭建好的懸臂框結(jié)構(gòu)強度試驗平臺上，應(yīng)用MTS控制系統(tǒng)和BECKHOFF嵌入式控制器，分別進行單通道及多通道的電動加載測試，測試過程包括手動靜態(tài)加載測試及試驗譜自動加載測試。

4.1 靜態(tài)加載測試

靜態(tài)加載測試是指對單個加載點手動輸入載荷指令，使作動缸在既定指令下進行加載的調(diào)試過程。對各個加載點進行單點調(diào)試，調(diào)整各加載點的PID參數(shù)，使其反饋能快速跟隨命令，不抖動，反饋平穩(wěn)，加載協(xié)調(diào)。

對2#點進行單點調(diào)試，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖6所示。根據(jù)誤差曲線可以看出，2#點的加載過程中有明顯振動。經(jīng)分析，振動的主要原因有兩個方面：(1)MTS控制系統(tǒng)的伺服輸出信號變化頻率高；(2)電動缸的響應(yīng)迅速，幾乎沒有延遲?；诖耍捎靡苿悠骄▽TS控制系統(tǒng)的伺服輸出信號進行濾波，即伺服信號由當前時刻的采樣信號與前一采樣周期的歷史信號線性組合而成，濾波系數(shù)即為歷史信號所占比例。通過對MTS控制系統(tǒng)力閉環(huán)的PIDF參數(shù)、BECKHOFF速度閉環(huán)PI參數(shù)以及濾波系數(shù)K進行整定，得到2#加載點新的單點調(diào)試曲線，如圖7所示。2#加載點控制參數(shù)如表2所示。濾波后，2#點的加載過程誤差明顯減小，最大過程相對誤差由濾波前的0.75%減小至濾波后的0.25%，加載過程平穩(wěn)、準確。

(a)誤差曲線

(a)誤差曲線

表2 2#加載點控制參數(shù)設(shè)置

通過對電動伺服加載的復(fù)合控制系統(tǒng)進行單點調(diào)試，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等特性考慮[13，14]，復(fù)合控制系統(tǒng)的參數(shù)整定原則主要包括以下7點：

(1)力閉環(huán)的比例增益參數(shù)(P)直接影響加載點的跟隨速度，其值越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，一般在20～30之間調(diào)節(jié)。

(2)力閉環(huán)的積分增益參數(shù)(I)主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，其值越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差消除越快，可配合積分限一起使用，以提高系統(tǒng)的無差度，一般在1～3之間調(diào)節(jié)。

(3)力閉環(huán)的微分增益參數(shù)(D)用于減少試驗件諧振頻率，能有效降低試驗件的運動速度，其值在低頻試驗下的不恰當選擇，容易惡化PID控制器性能，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，一般設(shè)置為0。

(4)力閉環(huán)的前饋增益參數(shù)(F)用于反饋信號與命令信號的相位補償，在復(fù)合控制系統(tǒng)中，控制信號經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，前饋增益參數(shù)的作用非常明顯，一般設(shè)置為5～15。

(5)速度閉環(huán)的比例增益參數(shù)(P)可以加快伺服電機的響應(yīng)速度，由于伺服電動缸沒有油液中間介質(zhì)，直接由伺服驅(qū)動器進行控制，本身就具有響應(yīng)快、精度高的特點，因此速度閉環(huán)的比例增益參數(shù)只進行微調(diào)，可改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般設(shè)置為0.15～0.2。

(6)速度閉環(huán)的積分時間參數(shù)(I)與消除系統(tǒng)靜差的速度有關(guān)，電動伺服加載系統(tǒng)的積分時間參數(shù)也只進行微調(diào)，可以減小系統(tǒng)超調(diào)，一般設(shè)置為4ms～6ms。

(7)濾波系數(shù)(K)用于抑制伺服信號的高頻變化，可以有效減少過程誤差，降低振動的頻率，一般設(shè)為0.85～0.95。

4.2 試驗譜加載測試

在結(jié)構(gòu)強度試驗中，主控計算機是按照試驗載荷譜對試驗件進行自動加載。對于包含多個加載點的試驗，一般要求各加載點協(xié)調(diào)加載，動態(tài)加載精度優(yōu)于2.5%DL(DL為該點最大載荷值)，靜態(tài)加載精度優(yōu)于1%DL。因此，有必要對電動伺服加載系統(tǒng)進行試驗譜加載測試。4通道懸臂框結(jié)構(gòu)電動伺服加載測試的試驗譜加載設(shè)置如圖8所示。試驗譜的加載形式采用半正弦波形。

(a)載荷狀態(tài)表

根據(jù)復(fù)合控制系統(tǒng)參數(shù)整定的7個原則，對懸臂框結(jié)構(gòu)進行多通道電動伺服加載測試。設(shè)定BECKHOFF控制器采樣周期為250μs，電動缸最大響應(yīng)速度為50mm/s，對MTS控制系統(tǒng)力閉環(huán)的PIDF參數(shù)、BECKHOFF速度閉環(huán)PI參數(shù)以及濾波系數(shù)K進行整定，1#、2#、4#三通道的電動伺服加載響應(yīng)曲線如圖9和圖10所示，控制參數(shù)如表3所示。調(diào)試結(jié)果表明，懸臂框的多通道電動伺服加載過程誤差及端點誤差均在1%以內(nèi)，加載過程平穩(wěn)、準確，滿足結(jié)構(gòu)強度試驗要求。

(a)誤差曲線

(a)誤差曲線

表3 1#、2#、4#三通道控制參數(shù)設(shè)置

5 結(jié) 論

本文通過設(shè)計電動伺服加載系統(tǒng)的控制策略，首次將電動加載技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)強度試驗平臺，應(yīng)用MTS Flex-Test 200控制系統(tǒng)和BECKHOFF嵌入式控制器，對懸臂框結(jié)構(gòu)件分別進行單通道及多通道的電動加載測試，總結(jié)出了一套電動伺服加載系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)試方法。測試及研究結(jié)果表明，基于復(fù)合控制的電動伺服加載過程準確、平穩(wěn)，滿足結(jié)構(gòu)強度試驗加載要求。該技術(shù)已在小載荷的結(jié)構(gòu)強度試驗中進行應(yīng)用，對電動伺服加載技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗中的推廣有重要意義。