基于FPGA的电液振动台数字伺服控制器设计

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Design of Digital Servo Controller for Electro-hydraulic Shaking Table Based on FPGASHU Yang，SONG Qiong，LI Qisheng，NIU Baoliang(Institute of Structural Mechanics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 62 1 900，China)Abstract：The electro-hydraulic shaking table is conventionally controlled by analog senr0.In order to improve disadvantages ofthe analog servo controller.the electro-hydraulic digital senro controler based on FPGA was designed and the PID algorithm was used。

Experimental results prove that the designed digital sen，o controller for electro-hydraulic shaking table has fast dynamic response.staticaccuracy，and has advantages of cost-eficiency compared with the analog controller。

Keywords：Electro-hydraulic shaking table；Digital 8enro；FPGA振动台是在各种环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能的仪器，在产品的生产、设计及可靠性、耐久性实验方面起到了越来越重要的作用。从激振方式看 ，振动台可分为三类 ：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。其中电液式振动台的作用力大，既可以在较低频、较长行程下工作，也可以在较高频、短行程下工作，其频率范围可达到0～1 000 Hz，推力可达数百吨或数千吨。电液振动台的这些优势使得它在运输实验、地震模拟、飞行模拟、车辆驾驶模拟、海浪模拟等方面得到广泛的应用。电液振动台的电液伺服控制方式分为数字式和模拟式，国内基本上采用模拟控制 ↑年来数字液压伺服控制技术得到了广泛的研究和发展 ，并在地震模拟振动台及其控制系统得到了应用 。针对电液振动台的电液伺服控制，作者设计了-套基于FPGA的数字电液伺服控制器，以10T液压振动台为被控对象，进行正弦扫频和随机振动实验。实验结果表明，该伺服控制器满足电液振动台的控制要求。

1 数字伺服控制控制器的设计- 个典型的电液振动台如图1所示，主要由液压源、电液伺服阀、液压缸、位置传感器、伺服控制器和载荷波形发生器组成 。 。

载荷波形发生器 l I液压源伺服控制器 电液伺服阀 叫液压缸 h叫 振动台 叫负载位置传感器图 1 电液振动台的原理框图图1中，载荷波形发生器产生实验对象所需要的载荷波形，伺服控制器输出的信号控制电液伺服阀流量，使液压缸驱动振动台带动试件按给定的输入波形运动。

作者设计的伺服控制器性能指标和功能为：电液振动台的工作频率范围为0～500 Hz，具有随机振动与正弦扫频实验，采样频率为10 kHz，具有4通道的l6位A/D和4通道的 16位 D/A，具有控制器参数的设置状态的监视功能，具有过载、限位保护和复位等功能。

1.1 硬件设计根据以上性能指标及功能的要求，该控制器的核心处理器为 FPGA，A./D和 D/A分别选择了 ADS7805和 DAC714。所设计的伺服控制器的硬件框图如图2所示。图2中主要包括信号调理拈、A/D拈 、FPGA拈、D/A拈、伺服阀驱动拈、按键拈收稿 日期：2012-07-17作者简介：舒杨 (1982-)，男，工程师，主要从事振动设备相关研究工作。E-mail：mysysysy###163.COB。

第 15期 舒杨 等：基于FPGA的电液振动台数字伺服控制器设计 ·149·和显示拈。其中FPGA拈为伺服控制器的计算控制中心，信号调理拈将位移反馈信号调理到ADS7805模拟输入 ±10 V的电压范围，并设计了低通和抗昆叠滤波器。

- - - - 里翼墨 ；图2 伺服控制器的硬件框图1.2 积分分离式PID在系统启动时，PID算法中积分环节的输出会引起较大振荡。为了避免系统出现过大的超调及振荡，可以在误差较大的时候取消积分作用，而在系统较为平稳的时候采用正常的PID算法对系统进行调节，即积分分离PID算法 。

积分分离控制算法的表达式为：( )kpe(k) ∑eJ0∽ (1)式 (1)中， 为积分项的开关系数：： f )l≤占 (2)0 I e(k)I>占 -为根据实际选取的相应误差阈值。

2 实验结果与讨论实验以-台10T液压振动台为被控对象，实验内容为系统闭环参数调整、台面升降、正弦定频、方波定频、正弦扫频、随机振动以及频响特性测试等-系列测试工作。实验环境温度为27℃，振动台油源供油压力 10 MPa，台面位置控制增益系数 k，，阀芯位置控制增益系数 k 。为了测试该数字伺服控制器的控制效果，选用了被控振动台原配的模拟伺服控制器做相应的对 比试验。

. 5. 6g.8- 10- 12- 14. 15图3 3 Hz正弦定频图4 1 Hz方波信号从图3、图4中可以看出：所设计的数字控制器能较好跟踪设定的信号。

2.2 空台面1 正弦扫频实验控制参数 k，3， 0.3，实验结果如 5所示，图6为采用模拟伺服控制器的实验结果。从图5和图6可得：在参数k 3，k 0.3下，数字控制获得了比模拟控制更好的控制性能。

图 5 数字伺服的 1g正弦扫频图6 模拟伺服的 lg正弦扫频2.3 空台面 1.2g随机振动实验k 3，k 0.3为控制参数，空台面 1.2g随机振动实验的结果如图7所示，图8为采用模拟伺服控制器的实验结果。从图7和图8可得：在参数k ：3，k 0.3下，数字控制获得了比模拟伺服控制更好的控制性能。

· 150· 机床与液压 第41卷吾迄墓选墓l- 目标 曲线.f/Hz图7 数字伺服 1.2g随机振动1- 目标曲线H图8 模拟伺服的 1.2g随机振动2.4 4 500 N负载 1g正弦扫频实验后 3，k：0.3为控制参数，4 500 N负载下的1g正弦扫频实验结果如图9所示，图10为采用模拟伺服控制器的实验结果。从图9和图10可得：在参数k 3，k：0.3下，数字控制获得了比模拟伺服控制更好的控制性能。

图9 数字伺服的正弦扫频flltz图 10 模拟伺服的正弦扫频2.5 频率特性测试数字伺服控制器控制的电液振动台频响特性如图11所示。从图11可知：采用数字伺服的电液振动台频响可以达到2 000 Hz，满足液压振动台最大工作频率为500 Hz的要求。

1o.oo 1oo.oo I ooo.oo 2 400.oo私Hz图 11 数字伺服的电液振动台频响特性3 结论采用 FPGA设计了-种电液振动台数字伺服控制器，采用积分分离的PID控制算法，充分利用 FPGA高速运算的特点。实验结果表明：采用 FPGA实现的数字控制器具有良好的性能指标，较好地满足电液振动台的伺服控制要求。