基于LabVIEW和PXI-7358多轴运动控制卡的8411.docx

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1、基于LaabVIIEW和和PXII-73358多多轴运动动控制卡卡的地震模拟拟振动台台控制系系统设计计Conttroll Syysteem DDesiign forr Eaarthhquaake Simmulaatorr Baasedd onn LaabVIIEW Sofftwaare andd PXXI-773588 Muultii-axxis Mottionn Coontrrolller作者：宫宫金良 赵现现朝 高峰单位：上上海交通通大学 振动、冲冲击、噪噪声国家家重点实实验室应用领域域：控制设计计使用的产产品：PXI-10442 机机箱PXI-81886 控控制器PXI-73558 运运

2、动控制制卡UMI-77774 通通用运动动控制接接口PXI-65111 工工业数字字I/00卡LabVVIEWW7.11LabVVIEWW RTT(实时时模块)Conttroll Deesiggn aand Simmulaatioon BBunddle挑战：短期内实实现8台台伺服电电机的变变参数同同步控制制，为并并联机构构的多电电机控制制应用提提供解决决方案，突突破重载载系统中中的冗余余输入技技术难题题，并实实现快速速响应。应用方案案：方案全部部采用NNI产品品，以PPXI-10442内嵌嵌PXII-81186控控制器为为核心，硬硬件设计计采用PPXI-73558多轴轴运动控控制卡和和UMII

3、-77774接口口板驱动动8个电电机，采采用LaabVIIEW77.1软软件的电电子齿轮轮功能轻轻松实现现其中两两个电机机的完全全同步，并并利用PPID软软件包的的强大功功能实现现快速开开发。介绍：地震模拟拟振动台台是集激激振、分分析、测测试为一一体的技技术，我我们将其其与并联联机器人人技术、冗冗余驱动动技术相相结合，研研究开发发了具有有独立知知识产权权的DZZ10型型地震模模拟振动动台。基基于PXXI-773588运动控控制卡和和LabbVIEEW软件件中的电电子齿轮轮功能，成成功的解解决了项项目中的的冗余驱驱动问题题，极大大的降低低了控制制系统设设计的难难度。功功能强大大的控制制系统设设计

4、软件件包提高高了设计计的灵活活性，有有效的缩缩短了程程序开发发周期。序言：地震模拟拟振动台台是地震震工程研研究的重重要手段段，是集集激振系系统、测测试系统统和分析析系统于于一体的的现代振振动试验验系统。由由于地震震模拟振振动台不不仅负载载量大，而而且能模模拟天然然地震波波和人工工地震波波，因此此在原子子能反应应堆、海海洋结构构工程、水水工结构构、堤岸结构构和桥梁梁结构等等方面发发挥着重要的作用。传统的地地震模拟拟振动台台大都采采用液压压驱动。液液压驱动动属于力力封闭控控制，在在多电机机驱动时时能够通通过液压压缸中液液体的自自身弹性性达到同同步控制制的目的的。为了了消除液液压系统统带来的的污染，

5、减减小制造造成本，我我们提出出采用冗冗余输入入电机驱驱动的地地震模拟拟振动台台，并设设计了具具有自主主知识产产权的冗冗余驱动动模块，该该模块能能将两个个输入通通过机械械方式转转换为单单输出。地地震模拟拟振动台台的机构构本体为为一并联联机构，由由8个伺伺服电机机驱动以以实现重重载，因因此在控控制系统统设计上上需要保保证8个个伺服电电机的同同步和响响应的快快速性。本系统以以PXII-10042内内嵌PXXI-88186控控制器为为核心，PPXI-73558多轴轴运动控控制卡驱驱动8个个电机，采采用LaabVIIEW77.1软软件的电电子齿轮轮功能实实现其中中两个电电机的完完全同步步。本系系统从软软

6、件到硬硬件均采采用NII的产品品，具有有很好的的集成性性和兼容容性，并并能够以以最短的的周期完完成。地震模拟拟振动台台机械系系统：我们开发发的DZZ10型型地震模模拟振动动台系统统综合了了并联机机器人技技术、冗冗余输入入技术等等，采用用了已申申请国家家发明专专利的双双驱动模模块作为为振动台台的输入入。整个个台面为为11米，由由六条运运动链和和八个伺伺服电机机驱动，其其中采用用双驱动动模块的的两套电电机必须须保持控控制上的的同步。图图1和图图2分别别是双驱驱动模块块和DZ110型地地震模拟拟振动台台样机。图1 双驱动模块控制系统统设计：控制系统统设计要要综合考考虑机械械本体、目目标要求求、开发发

7、周期等等各种因因素：1）系统统为八轴轴运动控控制，首首先确定定运动控控制卡为为八轴控控制卡，如如PMAAC、AADLIINK、NNI、固固高等产产品均可可选。图2 DZ10型地震模拟振动台样机2）系统统中的双驱动动模块要要求两个个输入电电机同步步控制，为为了简化化设计，采采用LabbVIEEW软件件中的电电子齿轮轮功能是是不错的的选择。3）与VVC、VVB相比比，LaabVIIEW软软件及控控制软件件包提供供了强大大的PIID算法法，数据据分析，处处理功能能。4）要能能有效的的缩短开开发周期期。显然然，LaabVIIEW图图形化的的编程语语言对编编程者要要求很低低，能使使开发者者集中于于专业知

8、知识的应应用。最终确定定本系统统总体结结构是基基于开放放式实时时测试平平台PXXI-110422，以嵌嵌入PXI 8186 控制器网卡、键盘、鼠标、显示器PXI 1042背板PXI 6511数字输入卡操作者输入终端1 （1）输入终端2 （2）UMI 7774 (1)#1#4电机轴Motion I/ODigital I/OPXI 7358运动控制卡#5#8电机轴Motion I/ODigital I/OUMI 7774 (2)图3 地震模拟振动台控制系统框图式PXII-81186作作为主控控制器，内内插NII公司的的PXII-73358运运动控制制卡实现现8个伺伺服电机机的运动动控制，所所有8个

9、个伺服轴轴为联动动方式。NNI的773588运动控控制卡和和PXII-81186的的通讯由由PXII插槽实实现，因因而具有有很快的的传输速速度。PXI-73558运动动控制卡卡主要完完成运动动控制，而而地震模模拟振动动台的输输入输出出信号等等开关量量，如操操作按钮钮及状态态指示等等，则通通过PXXI-665111数字输输入卡实实现，最最多具有有64点点的开关关量I/O。同同时，由由于PXXI-773588运动控控制卡本本身具有有回零、正负限位控制等功能，因此各轴原点及限位开关关通过UUMI-77774接口口板卡直直接连接接到PXXI-773588运动控控制卡上上。PXI-73558运动动控制卡

10、卡对各伺伺服轴的的控制是是以速度度指令输输出的形形式给出出的，即即伺服驱驱动器工工作在速速度随动动状态，位位置闭环环则由PPXI-73558运动动控制卡卡完成，因因此，位位置检测测码盘信信号除接接至伺服服驱动器器外，还还需要接接到PXXI-773588运动控控制卡上上。系统统硬件的的结构如如图3所所示。在实际施施工时，由于交流伺服系统工作时（主要是逆变时）PWM脉宽调制载波的干扰作用非常强，因此除了在电气系统上采取了相应的抗干扰措施，如采用三相电源噪声滤波、三相电抗器外，还从控制柜整体结构上采取了相应的应对措施，把包括上位机PXI设备、PXI-7358运动控制卡、UMI-7774端子板、PXI

11、-6511数字输入卡等在内的核心控制器布置在弱电数控柜中。同时，把伺服放大器、接触器、空气开关、滤波器、电抗器等集中在强电柜中，体积较大的变压器则单独封装。软件设计计：软件设计计中需要要解决的的首要问问题就是是地震波波形的生生成。采采用LaabVIIEW的的波形生生成器，能能够方便便的生成成各种频频率成分分、各种种类型的的波形。然然后将这这些波形形文件作作为地震震模拟振振动台的的振动数数据，利利用并联联机构的的反解方方程转换换成八个个电机的的输入数数据。首先要确确定丝杠杠安装的的初始位位置A（ii）和第i支支链与滑滑鞍相连连的球铰铰中心点点B（ii），通通过反解解即可确确定第ii支链与与动平台

12、台相连的的球铰中中心点CC（i）和B（i）点在固定坐标系下x的坐标 dx（i）。电机码盘盘每转11圈是220000个脉冲冲，四分分频后即即为80000个个脉冲。丝丝杠为四四头，螺螺矩为112.55mm，可可以求得得丝杠导导程是550mmm，所以以1毫米米对应1160个个脉冲。MATTLABB脚本文文件中插插入上述述分析结结果，利利用LaabVIIEW强强大的矩矩阵处理理功能，使使得方程程的求解解更直观观，而且且程序的的后期维维护更加加方便。图图4是图4 地震模拟振动台电机驱动量求解程序框图图5 地震模拟振动台控制面板设计各电机驱驱动量求求解程序序的部分分框图。有了输入入数据，还还要解决决八个输

13、输入电机机的空间间向量分分配问题题。由于于软件提提供的向向量空间间是3轴轴的，而而并联机机构各个个驱动电电机的速速度值、加加速度值值在每一一时刻、每每一位姿姿时都是是不同的的，因此此多电机机的变参参数控制制成为并并联机构构控制系系统设计计的一个个关键问问题。我我们采用用循环赋赋值的方方法很好好的解决决了这一一技术难难题。图5为该该DZ110型地地震模拟拟振动台台控制系系统的面面板设计计，其中中包括八八个电机机轴的分分配、设设置速度度、加速速度参数数、运动动速度幅幅值和各各电机驱驱动量显显示等。结论：基于美国国NI公公司的LLabVVIEWW软件、PPXI设设备、多多轴运动动控制卡卡等先进进的虚拟拟仪器技技术，我我们用极极短的时时间成功功开发了了DZ110型地地震模拟拟振动台台控制系系统的设设计，为为国家杰杰出青年年基金项项目（55012255116）的的顺利完完成奠定定了基础础。LabVVIEWW易学易易用的特特点使得得开发人人员大大大减少了了开发时时间，更更多的专专注于专专业知识识的应用用，极大大的提高高了工作作效率。LLabVVIEWW强大的的PIDD控制系系统设计计软件包包则更为为工业控控制领域域的研发发人员提提供了一一条捷径径。同时时，如果果系统从从硬件到到软件均均采用NNI的产产品，能能够实现现很好的集集成性和和兼容性性，为产产品的质质量提供供保障。