电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统和方法。所述系统包括上位机、控制器、控制对象——拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机、外围电路。所述方法包括以下步骤：系统上电，运动控制系统初始化；伺服电机缓慢提升，试件夹持；再直线电机进行加速；直线电机加速至设定速度，进入匀速状态，完成试件匀速拉伸；当拉伸位移达到设定值，系统进行两级减速，停止于结束状态。该运动控制以线性磁轴直线电机为激发源，采用转矩闭环控制测量运动速度。拉伸运动控制中，最关键的匀速控制遵循指定输出方程，并采用能量补偿算法弥补电磁式直线电机运动过程中电磁能量消耗，再通过正弦位置补偿和位置点位置补偿减少因能量补偿造成的激振和波动。
【专利说明】
电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量塑料材料动态拉伸力学性能领域，特别是一种电磁式塑料材料高 速动态拉伸机的运动控制系统和方法。
【背景技术】
[0002] 电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法是电磁式塑料材料高速动态拉 伸机的核心控制模块。目前国际上在O.Ols-Ι应变率以上和lOOOs-Ι应变率以下的材料试验 技术相当成熟，但是对于Ι-lOOs-l应变率范围材料动态拉伸力学测量还很困难，其一超出 了霍普金森杆适用的范围（1000S-1以上）；其二静态拉伸机存在能量激发和横梁保持等一 系列困难，无法满足此范围的测量要求。相比传统的高速伺服液压试验机和落锤冲击机，电 磁式塑料材料高速动态拉伸机操作方便，工作环境要求低，试验精度高，试验效率高等优 点。但系统震荡仍会引起明显的速度波动而达不到聚合物高应变率拉伸测试标准SAE J2749的试验要求。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动 控制系统和方法，通过能量补偿方法来实现直线电机在拉伸过程中能量损失，采用正弦位 置补偿和位置点位置补偿方法减少因能量补偿造成激振和波动。从而使高速动态拉伸试验 中的速度波动达到± 1 〇%，完全符合SAE J2749中规定速度波动要求。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:一种电磁式塑料材料高速动态拉 伸机的运动控制系统，包括上位机、控制器、控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线 电机、外围电路;其特征在于:所述上位机经控制器连接控制对象，并连接外围电路;控制器 根据上位机设定的速度曲线要求，改变其中的一个伺服驱动器的输入电压值模拟量，修正 设定力矩，实现控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机闭环控制。
[0005] 其中，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统，其特征在于:所述 控制器由以太网接口、嵌入式控制平台、伺服驱动器、直线光栅尺和霍尔传感器组成;所述 上位机由以太网经以太网接口连接嵌入式控制平台后，经伺服驱动器连接控制对象，控制 对象的输出分别经直线光栅尺和霍尔传感器反馈到伺服驱动器;通过以太网接口接受从上 位机的信号指令。伺服驱动器按照指令工作，伺服驱动器将指令信号转换成对应的电压信 号，使得控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴直线电机按照设定的动作曲线运动。其中 直线光栅尺用于采集直线电机的位置信息，霍尔传感器用于采集直线电机绕组线圈电流大 小，用于直线电机闭环反馈控制;嵌入式控制平台采用NI CompactRIO 9073,主控模块包括 [9269川19215、町9411川19421、[9481和[9402板卡；伺服驱动器采用松下4礼系列 MDDDT5540L型号，最大额定电流为50A，额定功率为750W;根据需求分析，选择转矩模式实现 对伺服驱动器控制，需要输入CW和CCW行程限位脉冲信号，其中CW信号用于控制直线电机行 程，CCW信号用于控制直线电机的方向。
[0006] NI9269是4通道、±10V、16位、同步、通道间隔离模拟电压输出板卡，通道0用于输 入模拟信号至伺服驱动器端子SPR/TRQR/SPL( SPR:速度指令，TRQR:转矩指令，SPL:速度限 制），SPR/TRQR/SPL端子起保护功能。通道1用于光栅尺测量的速度模拟量输出，用于调试模 式。通道2用于控制值模拟量输出，用于调试模式。通道3用于直线电机位移模拟量输出，用 于调试模式。
[0007] NI9215是4通道、±10V、16位同步模拟输入板卡，通道0接收力传感器的力值信号， 用于控制系统中力值补偿算法模块。
[0008] NI9411是6通道差分数字信号输入板卡，主要功能是获取光栅尺测量的差分电压 信号转成单端信号，主控程序可根据此单端信号判断直线电机的位置信息。通道〇、1、2分别 用于接收光栅尺的Z、A、B三相差分信号，其中Z相信号用于判断直线电机运动方向向上或向 下，A、B相信号用于直线电机加减速信号判断。
[0009] NI9421是8通道漏极数字输入板卡，通道0记录伺服驱动器工作前准备状态。通道1 记录当发生异常情况，伺服驱动器报警状态。
[0010] NI9481是4通道SPST机电继电器板卡，通道0输出伺服驱动器使能信号，用于控制 伺服驱动器驱动状态。通道1接24V电源接地信号。如果通道0与通道1短接，伺服驱动器则进 入伺服使能状态(电机通电）；否则伺服系统则不能进入使能状态。
[0011] NI9402是4通道，LVTTL数字输入/输出板卡，用于触发高速摄像机和力传感器同时 采集信号，保持在物理上触发处于同一时刻。
[0012] 外围电路模块主要用于配置硬件工作的电源以及过滤干扰电压作用。外围电路包 括:变压器、滤波器、启电器、保险开关、12V直流电源、24V直流电源、稳压电源。
[0013] -种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，采用上述的系统进行操 作，其特征在于操作步骤如下： 1) 系统上电，电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统初始化； 2) 伺服驱动器驱动直线电机从底部的初始位置缓慢提升到设定高度，进行拉伸试件手 工夹持； 3) 完成夹持，直线电机进彳丁加速； 4) 直线电机加速至设定速度，进入匀速状态，完成试件匀速拉伸； 5 )当拉伸位移达到设定值，系统进行两级减速，停止于结束状态。
[0014] 步骤1)主要完成控制系统参数初始化、内部计数器清零，控制系统中的伺服驱动 器的启动在其他模块初始化之后，其模拟电压信号输出为0V。
[0015] 执行步骤2)时，直线电机处于悬浮状态。同时，根据扭矩输出、速度分量预估（目标 速度)和动摩擦力分量预估三者数据，控制系统计算预计平均输出。另外根据设定的拉伸速 度判断，程序进入高速加速分支，或者进入低速加速分支。
[0016] 步骤3)存在两种加速方法:低速加速状态和高速加速状态。
[0017] 步骤4)的试件匀速拉伸状态也是运动控制的最关键部分，拉伸过程中的匀速控制 遵循指定输出方程，其输出方程可以表示为：
其中，f一一控制输出量;I一一预计平均输出量;P-一能量补偿因子，弥补因能量补偿 方法带来的对系统影响；F-一试件拉力补偿;^一一力值斜率补偿；5·-一正弦位置补偿； B一一位置点位置补偿；Γ一一系统处于试件夹持时扭矩输出量；v补一一速度分量预估； f一一动摩擦力分量预估;k一一能量补偿因子系数;va-一目标速度，即设定速度;m一一 实际运行速度； 能量补偿，根据直线电机输出力的需求和动能需求之间线性关系，建立控制的输入输 出关系[58][59]，即能量补偿，在目标速度确定下，动能差越小，其输出和输入系数也越小。
[0018] 样条力补偿，采用补偿方法来实现试件力补偿，弥补力采集过程中损耗，更好辅助 控制。通过采用低通滤波器滤除力传感器的杂波，将滤波后的值与力值系数相乘，得到样条 力补偿值。
[0019] 力斜率补偿，通过不断刷新试件力值，采用力斜率补偿方法实现力斜率补偿。
[0020] 正弦位置补偿方法，根据迭代原理，迭代正弦位置补偿值根据当前位移值，位移补 偿基准值，位移补偿偏移值来计算。
[0021] 位置点位置补偿方法，设定若干个参考位置点（根据直线电机行程确定），实时监 测直线电机的位置点信息，根据到达的不同位置点，采用相应的补偿值。
[0022] 步骤5)的减速共分为两级减速，第一级减速由伺服驱动器控制直线电机减速，第 二级则以弹簧辅助减速。
[0023] 与现有技术比较，本发明具有如下的实质性特点和显著的优点： 本发明电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统和方法能明显改善高速动态 拉伸试验中的速度波动，运动控制精度达到± 10%，完全符合聚合物高应变率拉伸测试标准 SAE J2749中规定速度波动要求。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统。
[0025] 图2是本发明电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法。
[0026] 图3是本发明电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制原理图。 具体实施方案
[0027]下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明： 实施例一：如图1，本电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统，包括上位机 (2)、控制器（1)、控制对象--拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机(4)、外围电路(3);其 特征在于:所述上位机(2)经控制器（1)连接控制对象(4)，并连接外围电路(3);控制器（1) 根据上位机(2)设定的速度曲线要求，改变其中的一个伺服驱动器(1-3)的输入电压值模拟 量，修正设定力矩，实现控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机(4)闭环控制。
[0028]实施例二:本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:所述的电磁式塑料材料 高速动态拉伸机的运动控制系统，其特征在于:所述控制器(1)由以太网接口（1-1)、嵌入式 控制平台（1-2)、伺服驱动器（1-3)、直线光栅尺（1-4)和霍尔传感器（1-5)组成;所述上位机 (2)由以太网经以太网接口（1-1)连接嵌入式控制平台（1-2)后，经伺服驱动器（1-3)连接控 制对象(4)，控制对象(4)的输出分别经直线光栅尺(1-4)和霍尔传感器(1-5)反馈到伺服驱 动器（1-3);通过以太网接口（1-1)接受从上位机(2)的信号指令。伺服驱动器（1-3)按照指 令工作，伺服驱动器(1-3)将指令信号转换成对应的电压信号，使得控制对象一一拉伸机中 的线性双轴磁轴式直线电机(4)按照设定的动作曲线运动，直线光栅尺(1-4)用于采集直线 电机(4)的位置信息，霍尔传感器(1-5)用于采集直线电机(4)绕组线圈电流大小，用于直线 电机（4)闭环反馈控制；嵌入式控制平台（1-2)采用NI CompactRIO 9073,主控模块包括 肌9269川19215、町9411川19421、肌9481和町9402板卡；伺服驱动器（1-3)采用松下4礼系列 MDDDT5540L型号，最大额定电流为50A，额定功率为750W;根据需求分析，选择转矩模式实现 对伺服驱动器（1-3)控制，需要输入CW和CCW行程限位脉冲信号，其中CW信号用于控制直线 电机(4)行程，CCW信号用于控制直线电机(4)的方向。
[0029]实施例三:如图2和图3,本电磁式塑料高速动态拉伸机的运动控制方法，采用实施 例一所述的电磁式塑料高速动态拉伸机的运动控制系统进行操作，其特征在于操作步骤如 下： 1) 系统上电，电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统初始化； 2) 伺服驱动器(1-3)驱动直线电机(4)从底部的初始位置缓慢提升到设定高度，进行拉 伸试件手工夹持； 3) 完成夹持，直线电机(4)进行加速； 4) 直线电机(4)加速至设定速度，进入匀速状态，完成试件匀速拉伸； 5 )当拉伸位移达到设定值，系统进行两级减速，停止于结束状态。
[0030] 步骤1)主要完成控制系统参数初始化、内部计数器清零，控制系统中的伺服驱动 器的启动在其他模块初始化之后，其模拟电压信号输出为0V。
[0031] 步骤2)直线电机处于悬浮状态。同时，根据扭矩输出、速度分量预估（目标速度)和 动摩擦力分量预估三者数据，控制系统计算预计平均输出。另外根据设定的拉伸速度判断， 程序进入高速加速分支，或者进入低速加速分支。
[0032]步骤3)存在两种加速方法:低速加速状态和高速加速状态。
[0033]步骤4)的试件匀速拉伸状态也是运动控制的最关键部分，拉伸过程中的匀速控制 遵循指定输出方程，其输出方程可以表示为：
其中，^一一控制输出量;I一一预计平均输出量;P-一能量补偿因子，弥补因能量补偿 方法带来的对系统影响；F-一试件拉力补偿;^一一力值斜率补偿；5·-一正弦位置补偿； B一一位置点位置补偿；Γ一一系统处于试件夹持时扭矩输出量；v补一一速度分量预估； f--动摩擦力分量预估;1--能量补偿因子系数;V目--目标速度，即设定速度;Vjg-- 实际运行速度。
[0034]步骤5)的减速共分为两级减速，第一级减速由伺服驱动器控制直线电机减速，第 二级则以弹簧辅助减速。
【主权项】
1. 一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统，包括上位机(2)、控制器（1)、 控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机(4)、外围电路(3);其特征在于:所述上 位机(2)经控制器（1)连接控制对象(4)，并连接外围电路(3);控制器（1)根据上位机(2)设 定的速度曲线要求，改变其中的一个伺服驱动器（1-3)的输入电压值模拟量，修正设定力 矩，实现控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机(4)闭环控制。2. 根据权利要求1，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统，其特征在 于:所述控制器（1)由W太网接口（1-1)、嵌入式控制平台（1-2)、伺服驱动器（1-3)、直线光 栅尺（1-4)和霍尔传感器（1-5)组成;所述上位机(2)由W太网经W太网接口（1-1)连接嵌入 式控制平台（1-2)后，经伺服驱动器（1-3)连接控制对象(4)，控制对象(4)的输出分别经直 线光栅尺(1-4)和霍尔传感器(1-5)反馈到伺服驱动器(1-3);通过W太网接口（1-1)接受从 上位机(2)的信号指令，伺服驱动器(1-3)按照指令工作，伺服驱动器(1-3)将指令信号转换 成对应的电压信号，使得控制对象一一拉伸机中的线性双轴磁轴式直线电机(4)按照设定 的动作曲线运动，直线光栅尺(1-4)用于采集直线电机(4)的位置信息，霍尔传感器(1-5)用 于采集直线电机(4)绕组线圈电流大小，用于直线电机(4)闭环反馈控制;嵌入式控制平台 (1-2)采用NI CompactRIO 9073，主控模块包括NI9269、NI9215、NI9411、NI9421、NI9481 和 NI9402板卡；伺服驱动器（1-3)采用松下ML系列Μ孤！ΤΓ554化型号，最大额定电流为50A，额 定功率为750W;根据需求分析，选择转矩模式实现对伺服驱动器（1-3)控制，需要输入CW和 CCW行程限位脉冲信号，其中CW信号用于控制直线电机(4)行程，CCW信号用于控制直线电机 (4)的方向。3. -种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，采用根据权利要求1所述的 电磁式塑料高速动态拉伸机的运动控制系统进行操作，其特征在于操作步骤如下： 1) 系统上电，电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制系统初始化； 2) 伺服驱动器（1-3巧Ε动直线电机(4)从底部的初始位置缓慢提升到设定高度，进行拉 伸试件手工夹持； 3) 完成夹持，直线电机(4)进行加速； 4) 直线电机(4)加速至设定速度，进入匀速状态，完成试件匀速拉伸； 5 )当拉伸位移达到设定值，系统进行两级减速，停止于结束状态。4. 根据权利要求3，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，其特征在 于所述步骤1)主要完成控制系统参数初始化、内部计数器清零，控制系统中的伺服驱动器 的启动在其他模块初始化之后，其模拟电压信号输出为0V。5. 根据权利要求3，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，其特征在 于所述步骤2)中，直线电机(4)处于悬浮状态，同时，根据扭矩输出、速度分量预估一一目标 速度和动摩擦力分量预估Ξ者数据，控制系统计算预计平均输出；另外根据设定的拉伸速 度判断，程序进入高速加速分支，或者进入低速加速分支。6. 根据权利要求3，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，其特征在 于所述步骤3)加速方法为低速加速状态或者高速加速状态。7. 根据权利要求3，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，其特征在 于所述步骤4)的试件匀速拉伸状态也是运动控制的最关键部分，拉伸过程中的匀速控制遵 循指定输出方程，其输出方程表示为：其中，一-控制输出量;一-预计平均输出量;一-能量补偿因子，弥补因能量补偿方 法带来的对系统影响;一-试件拉力补偿;一-力值斜率补偿;一-正弦位置补偿;一-位 置点位置补偿;一-系统处于试件夹持时扭矩输出量;一-速度分量预估;一-动摩擦力分 量预估;一-能量补偿因子系数;一-目标速度，即设定速度;一-实际运行速度。8.根据权利要求3，所述的电磁式塑料材料高速动态拉伸机的运动控制方法，其特征在 于所述步骤5)的减速共分为两级减速，第一级减速由伺服驱动器(1-3)控制直线电机(4)减 速，第二级则W弹黃辅助减速。
【文档编号】G05B19/4065GK106094728SQ201610479522
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】李桂琴, 陈阳, 郭庆, 蔡欣
【申请人】上海大学