电液伺服试验机数字控制技术

李春玉，李满昌

(1．长春职业技术学院技术装备处，吉林 长春 130021)

(2．长春试验机研究所，吉林长春 130022)

电液伺服试验机主要用于测试各种金属材料、高强塑料以及类似材料的动静力学性能。控制系统作为其核心组成部分，对整机的试验功能、试验频响以及试验可靠性等都起到至关重要的作用。结合现代数字控制技术、计算机技术以及软件技术，研制出一种功能丰富、高性能数字控制系统，提高电液伺服试验机的性能，对材料科学研究中材料性能指标的测量与新型材料的探求，具有重要的意义。

1 模拟控制系统与数字控制系统比较

近年来，随着电子技术、计算机技术以及控制技术的发展，数字伺服控制技术已经逐渐取代了模拟伺服控制技术，使电液伺服控制技术进入了一个新的阶段——数字化时代。数字技术的应用所带来的便利是非常巨大的。下面通过简单的比较可以看出数字控制器较模拟控制器的优越性。

1.1 结构的优化

模拟系统采用的分立元件较多，通常需要多块电路板才能构成一个系统，这样给装配和调试带来了很多不便。如果发生故障对设备的检修也需要大量时间。以函数发生器为例，通常包含波形存储器、分频器、译码器、均值产生电路、幅值产生电路等部分，整个函数发生器就是一块独立的电路板。当一个元件发生故障会导致整个电路板无法正常工作。

以DSP为核心的数字控制系统结构简单可靠。一块DSP芯片可以完成如PID运算、函数发生、数据采集控制等多项功能，而每项功能在模拟技术时期近乎是需要一块独立的电路板去完成。原来用几块电路板，几十甚至上百个元件完成的功能现在用一块芯片就可以完成，这给生产和调试带来了很大便利。

1.2 功能的优化

模拟控制器上一般只能实现简单的控制，而且控制参数会随着器件的老化而发生变化。对一些特殊波形如叠加波、组合波形、随机波形等的实现很复杂，既使实现了也会需要一个庞大的电路。在数字控制系统里，各种波形可以通过数字信号处理器实时计算产生，可以将各种先进的控制算法进行实际的应用，增强了系统的设计灵活性与可靠性。

2 国际上主要试验机厂商动态控制器特点

由于数字控制技术与模拟技术相比有着巨大的优势，国际上各大公司纷纷推出了自己的数字控制系统，模拟系统在市场上已经很少见，目前只有美国MTS公司仍在出售一款407型模拟控制器。

下面列举国际上比较有名望的试验机制造商如MTS、MOOG、DOLI、长春试验机研究所有限公司(CRITM)等提供的动态控制器的主要技术特点，见表1。

表1 动态控制器主要技术特点对比表

通过表1可以看出，各公司的控制器均采用了高速信号处理器并且多数采用了DSP处理器，其中MOOG没有采用DSP技术，只通过通用处理器完成全部功能，这就对通用处理器的驱动技术提出了较高的要求。TEST2000控制器采用插卡式结构，并利用了Windows XP系统下的设备驱动程序技术，实现计算机和控制卡之间的高速通信。TEST2000控制器在结构与硬件指标等方面已达到或接近国际先进水平，但产品的工艺水平还有待进一步提高。

3 TEST2000数字伺服控制系统

TEST2000控制器是采用最先进数字控制技术的数字式伺服控制器，该控制系统核心是采用TI公司的240系列DSP器件，它设计成标准ISA总线卡的形式，安装在工业控制计算机的插槽内。该控制器的主要模块为：放大器模块，包含位移放大器、负荷放大器、变形放大器;数据采集模块;逻辑接口模块;数字信号处理模块;控制信号输出模块;计算机通讯总线;设备驱动程序接口和应用软件模块等。采用DSP、双口RAM和CPLD等大规模可编程器件，使系统高度集成化。结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

下面将介绍伺服控制器的基本工作原理、数字处理器模块、系统软件及其主要性能等。

3.1 伺服控制器工作原理

电液伺服试验机的控制系统核心算法是PID控制算法。在数字控制系统中，PID控制算法是通过程序来实现的，因此利用程序的灵活性特点，一些原来在模拟PID中无法实现的问题就可以得到解决。本系统采用增量式PID控制算法［1］，控制系统框图如图2所示。

图2 增量式PID控制系统框图

增量式PID计算公式为：

增量式PID具有以下特点：

a．由DSP计算输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉异常的输出数据。

b．算式中不需累加。控制量Δu(k)的确定，仅与近k次的采样值有关，所以容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

3.2 数字处理器模块

由于电液伺服具有响应速度快的特点，为了确保控制的实时可靠，所用的信号处理器必须具有较高的处理速度，以及高速运算速度，也应具备足够的存储空间，同时应该具备足够的外设，以使系统设计简单化。TI公司的TMS320F240 DSP处理器专门为运动控制而设计，是一款16位定点处理器［2］，非常适合应用于数字伺服控制系统。其具有以下特点：

a．指令执行周期为50 ns，保证系统的实时性。

b．544字节16位数据存储空间。

c．16K 16位片内闪速存储器Flash。

d．共224K字的存储器寻址空间，包含64 K程序存储空间，64 K数据存储空间，64 K I/O空间，以及32 K全局存储空间。

e．丰富的外设功能，12路比较/脉冲宽度调节通道、3通道16位通用定时器以及6个外部中断口和串行通信接口等片上外设。

f．TMS320F240芯片采用5V供电，这个特点给电路设计带来了很大的便利。目前一些高速处理芯片采用3．3V或1．8V供电，而一些逻辑接口芯片供电电源为5V，在3．3V与5V的混合电路系统中，设计电路接口时还需增加电压转换芯片，因此增加了电路设计的复杂性。

利用TMS320F240 DSP的高执行速度、丰富的程序数据存储空间以及大量的片上外设，同时系统中采用可编程接口芯片CPLD作为逻辑控制电路，控制数据的采样与转换，增加了系统硬件的集成度，各个功能模块集成在一块电路板上使得控制器硬件结构简单可靠。

3.3 实验软件介绍

软件的编写采用层次化结构，分为应用层软件和设备驱动层软件。软件的应用软件采用Visual-Basic6．0编写。设备驱动软件采用VC++6．0编写。

应用层软件完成用户试验条件的设置、控制器PID参数的设置以及读取设备驱动程序层的数据进行数据的显示与存储。设备驱动程序和硬件直接进行通信，一方面对控制卡发出控制命令，另一方面响应控制卡的实时中断请求，接收采集的数据以及对系统状态进行监测，有效地保证了控制系统的实时性。目前该软件已经具有丰富的功能模块，可以在多种测试领域进行应用，如材料静态试验、材料动态试验、减振器试验、弹性体试验。主界面如图3所示。

实验软件具有以下特点：

a．在Windows XP环境下运行，界面友好，操作简单，能完成试验条件、试样参数等设置，并具有丰富的实验数据处理功能，试验数据能以多种文件格式保存，试验结束后可再现试验历程、回放试验数据，试验数据可导入在Word、Excel等多种软件下，进行统计、编辑、分类、拟合试验曲线等操作，试验完成后，可打印出试验报告。

图3 实验软件主界面

b．实时动态显示试验波形。

c．配备静力试验、疲劳试验等多种应用软件。d．测试结构件、总成、部件的静刚度。

e．扫频试验，通过扫频试验测试结构件、总成、部件的共振频率。

f．测试结构件、总成、部件的动态刚度，在求解被测对象的减振和隔振特性中得到相应的动刚度、阻尼角和阻尼参数。

3.4 主要性能指标

a．试验波形：正弦波、三角波、梯形波、方波、斜波和自制随机载荷谱等。

b．函数发生频率：0．01 Hz～100Hz。

c．全数字闭环控制，采用高分辨率的反馈采样和信号调节技术，所有通道均以5kHz速率进行同步反馈和采集。

d．控制系统有自诊断功能和PID参数调整、超载、超压保护等自动保护功能。

e．保护方式：具有负荷、变形、位移超极限保护功能。

f．控制系统能自动标定试验机准确度(负荷、应变、位移)、自动调零。

g．全数字显示试验力、位移、变形、试验频率等多个工程量，多通道并行独立完成测量、显示、控制任务。

4 结束语

本文讨论的TEST2000控制系统采用高速数字信号处理芯片和数字控制技术，提高了电液伺服试验机的控制精度，增强了试验的灵活性，使电液伺服试验机的技术水平上了一个新的台阶，为材料测试与开发领域提供了有力的测试仪器。今后的研究重点应该在现有功能基础上，不断地丰富试验功能与逐渐提高伺服控制算法，并提高硬件制作工艺，使该系统达到国际先进水平。

［1］ 陶永华．新型PID控制及其应用［M］．北京：机械工业出版社，2002：5-7．

［2］ 宁改娣．DSP控制器原理及应用［M］．北京：科学出版社，2002：17-18．