序言：
地震模擬振動(dòng)臺(tái)是地震工程研究的重要手段，是集激振系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和分析系統(tǒng)于一體的現(xiàn)代振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。由于地震模擬振動(dòng)臺(tái)不僅負(fù)載量大，而且能模擬天然地震波和人工地震波，因此在原子能反應(yīng)堆、海洋結(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)、堤岸結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要的作用。
傳統(tǒng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)大都采用液壓驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)屬于力封閉控制，在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠通過(guò)液壓缸中液體的自身彈性達(dá)到同步控制的目的。為了消除液壓系統(tǒng)帶來(lái)的污染，減小制造成本，我們提出采用冗余輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)，并設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的冗余驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊能將兩個(gè)輸入通過(guò)機(jī)械方式轉(zhuǎn)換為單輸出。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的機(jī)構(gòu)本體為一并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由8個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)重載，因此在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要保證8個(gè)伺服電機(jī)的同步和響應(yīng)的快速性。
本系統(tǒng)以PXI-1042內(nèi)嵌PXI-8186控制器為核心，PXI-7358多軸運(yùn)
動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)8個(gè)電機(jī)，采用Labview7.1軟件的電子齒輪功能實(shí)現(xiàn)其中兩個(gè)電機(jī)的完全同步。本系統(tǒng)從軟件到硬件均采用NI的產(chǎn)品，具有很好的集成性和兼容性，并能夠以最短的周期完成。
地震模擬振動(dòng)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)：
我們開(kāi)發(fā)的DZ10型地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)綜合了并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)、冗余輸入技術(shù)等，采用了已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利的雙驅(qū)動(dòng)模塊作為振動(dòng)臺(tái)的輸入。整個(gè)臺(tái)面為1×1米，由六條運(yùn)動(dòng)鏈和八個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中采用雙驅(qū)動(dòng)模塊的兩套電機(jī)必須保持控制上的同步。圖1和圖2分別是雙驅(qū)動(dòng)模塊和DZ10型地震模擬振動(dòng)臺(tái)樣機(jī)。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要綜合考慮機(jī)械本體、目標(biāo)要求、開(kāi)發(fā)周期等各種因素：
1）系統(tǒng)為八軸運(yùn)動(dòng)控制，首先確定運(yùn)動(dòng)控制卡為八軸控制卡，如PMAC、ADLINK、NI、固高等產(chǎn)品均可選。
圖2 DZ10型地震模擬振動(dòng)臺(tái)樣機(jī)
2）系統(tǒng)中的雙驅(qū)動(dòng)模塊要求兩個(gè)輸入電機(jī)同步控制，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用LabVIEW軟件中的電子齒輪功能是不錯(cuò)的選擇。
3）與VC、VB相比，LabVIEW軟件及控制軟件包提供了強(qiáng)大的PID算法，數(shù)據(jù)分析，處理功能。
4）要能有效的縮短開(kāi)發(fā)周期。顯然，LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言對(duì)編程者要求很低，能使開(kāi)發(fā)者集中于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用。
最終確定本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)是基于開(kāi)放式實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)PXI-1042，以嵌入式PXI-8186作為主控制器，內(nèi)插NI公司的PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)8個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，所有8個(gè)伺服軸為聯(lián)動(dòng)方式。NI的7358運(yùn)動(dòng)控制卡和PXI-8186的通訊由PXI插槽實(shí)現(xiàn)，因而具有很快的傳輸速度。
PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡主要完成運(yùn)動(dòng)控制，而地震模擬振動(dòng)臺(tái)的輸入輸出信號(hào)等開(kāi)關(guān)量，如操作按鈕及狀態(tài)指示等，則通過(guò)PXI-6511數(shù)字輸入卡實(shí)現(xiàn)，最多具有64點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量I/O。同時(shí)，由于PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡本身具有回零、正負(fù)限位控制等功能，因此各軸原點(diǎn)及限位開(kāi)關(guān)通過(guò)UMI-7774接口板卡直接連接到PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡上。
PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)各伺服軸的控制是以速度指令輸出的形式給出的，即伺服驅(qū)動(dòng)器工作在速度隨動(dòng)狀態(tài)，位置閉環(huán)則由PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡完成，因此，位置檢測(cè)碼盤(pán)信號(hào)除接至伺服驅(qū)動(dòng)器外，還需要接到PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡上。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在實(shí)際施工時(shí)，由于交流伺服系統(tǒng)工作時(shí)（主要是逆變時(shí)）PWM脈寬調(diào)制載波的干擾作用非常強(qiáng)，因此除了在電氣系統(tǒng)上采取了相應(yīng)的抗干擾措施，如采用三相電源噪聲濾波、三相電抗器外，還從控制柜整
體結(jié)構(gòu)上采取了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，把包括上位機(jī)PXI設(shè)備、PXI-7358運(yùn)動(dòng)控制卡、UMI-7774端子板、PXI-6511數(shù)字輸入卡等在內(nèi)的核心控制器布置在弱電數(shù)控柜中。同時(shí)，把伺服放大器、接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、濾波器、電抗器等集中在強(qiáng)電柜中，體積較大的變壓器則單獨(dú)封裝。
軟件設(shè)計(jì)：
軟件設(shè)計(jì)中需要解決的首要問(wèn)題就是地震波形的生成。采用Labview的波形生成器，能夠方便的生成各種頻率成分、各種類(lèi)型的波形。然后將這些波形文件作為地震模擬振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的反解方程轉(zhuǎn)換成八個(gè)電機(jī)的輸入數(shù)據(jù)。
首先要確定絲杠安裝的初始位置A（i）和第i支鏈與滑鞍相連的球鉸中心點(diǎn)B（i），通過(guò)反解即可確定第i支鏈與動(dòng)平臺(tái)相連的球鉸中心點(diǎn)C（i）和B（i）點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下x的坐標(biāo) dx（i）。
電機(jī)碼盤(pán)每轉(zhuǎn)1圈是2000個(gè)脈沖，四分頻后即為8000個(gè)脈沖。絲杠為四頭，螺矩為
12.5mm，可以求得絲杠導(dǎo)程是50mm，所以1毫米對(duì)應(yīng)160個(gè)脈沖。MATLAB腳本文件中插入上述分析結(jié)果，利用LabVIEW強(qiáng)大的矩陣處理功能，使得方程的求解更直觀，而且程序的后期維護(hù)更加方便。圖4是各電機(jī)驅(qū)動(dòng)量求解程序的部分框圖。
有了輸入數(shù)據(jù)，還要解決八個(gè)輸入電機(jī)的空間向量分配問(wèn)題。由于軟件提供的向量空間是3軸的，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度值、加速度值在每一時(shí)刻、每一位姿時(shí)都是不同的，因此多電機(jī)的變參數(shù)控制成為并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。我們采用循環(huán)賦值的方法很好的解決了這一技術(shù)難題。
圖5為該DZ10型地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)的面板設(shè)計(jì)，其中包括八個(gè)電機(jī)軸的分配、設(shè)置速度、加速度參數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度幅值和各電機(jī)驅(qū)動(dòng)量顯示等。
結(jié)論：
基于美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件、PXI設(shè)備、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，我們用極短的時(shí)間成功開(kāi)發(fā)了DZ10型地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目（50125516）的順利完成奠定了基礎(chǔ)。
LabVIEW易學(xué)易用的特點(diǎn)使得開(kāi)發(fā)人員大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，更多的專(zhuān)注于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，極大的提高了工作效率。LabVIEW強(qiáng)大的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件包則更為工業(yè)控制領(lǐng)域的研發(fā)人員提供了一條捷徑。同時(shí)，如果系統(tǒng)從硬件到軟件均采用NI的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的集成性和兼容性，為產(chǎn)品的質(zhì)量提供保障。
（轉(zhuǎn)載）
