MPC08运动控制卡和EXLAR电动缸在旋转压实仪中的应用

一、引言
　　
　　随着沥青混合料设计方法的发展，先后产生了多种不同的混合料成型方法和设备，这些设备通过击实、振动、揉搓等不同方式成型沥青混合料。不论采用哪种成型方法，其目的都是为了得到满足一定体积指标和力学性能的沥青混合料试件。
　　
　　旋转压实仪是在固定压力、固定压实角和固定转速下通过揉搓作用成型沥青混合料的设备，它产生的沥青混合料试件能较好地符合实际工程中沥青混合料的成型方式，能较好地预测路面的长期性能。而如何准确控制施加在试样上的压力大小，并在试件产生塑性变形后能实时进行补偿，维持恒定的压力，是旋转压实仪压力加载控制系统关键所在。
　　
　　
　　二、控制原理及工艺流程
　　
　　本系统采用MPC08运动控制卡，通过控制松下A4系列伺服系统驱动美国Exlar电动缸的方式进行压力加载控制。
　　
　　MPC08运动控制卡是基于PC机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；MPC08运动控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。
　　
　　1,控制原理框图
　　

　　
　　2,工艺流程：
　　
　　(1) 操作者设定系统所需的工作压力；
　　
　　(2) 系统根据设定的压力值计算出电动缸需要移动的位移；
　　
　　(3) MPC08SP运动控制卡发送指令脉冲控制伺服系统产生旋转运动；
　　
　　(4) 伺服电机驱动电动缸产生直线运动；
　　
　　(5) 电动缸挤压工件产生形变，使工件被挤压端产生压力，压力值通过压力传感器，再经过A/D采集卡最终反馈至MPC08SP运动控制卡；
　　
　　(6) 当压力值达到所设定值时，MPC08SP运动控制卡停止发送脉冲；
　　
　　(7) 试件在压力的作用产塑性变形，
　　
　　(8) 系统实时对当前反馈的压力值和设定的压力值进行比较，做出快速补偿调节，在试件上维持恒定的压力。
　　
　　
　　三、控制系统的设计：
　　
　　1，控制系统的编程原理
　　
　　根据以上的工作过程，我们就可以确定我们的编程思路：
　　
　　首先大致确定MPC08SP运动控制卡所发的脉冲数与工件产生压力变化之间的关系；
　　
　　对电动缸的位置控制采用比较成熟的经典的比例、积分、微分（PID）控制。PID控制具有原理简单、使用方便、适应性好等优点。我们这里采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制有很多优点：
　　
　　1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可采用逻辑判断的方法去掉；
　　
　　2）算式中不需要累加，控制增量的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
　　
　　PID控制器是一种线性调节器，它把设定值（需要达到的压力值）与实际反馈值（压力传感器经A/D采集卡处理后反馈给系统的压力值）相减，再通过脉冲数与压力的关系换算出控制偏差，的比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）通过线性组合构成控制变量（MPC08SP运动控制卡所需补偿的脉冲数）。
　　
　　标准的控制变量直接计算公式为：
　　

　　
　　上一次的计算结果为：
　　

　　
　　两式相减，就得到控制变量的增量计算公式为：
　　

　　
　　式中，T为采样周期，K为比例系数。加大比例系数K可以加快调节，减小稳态误差，但当K过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定；
　　
　　TI为积分常数，TI越大积分作用越弱。积分环节的加入，能消除静态误差，使系统趋于稳定；
　　
　　TD为微分系数，微分控制的作用可以改善系统的动态特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小时，都会使超调量增大，调节时间加长。
　　
　　由于该系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了K、TI、TD这三个控制参数，就可以确定控制变量。
　　
　　
　　四、EXLAR电动缸的性能优势
　　
　　采用了美国Exlar公司专利技术——反向行星辊柱丝杠（Roller Ball Screw）的伺服电动缸，是传统液压或气动作动器以及传统滚珠丝杠电动缸的升级替代产品。
　　
　　与气动、液压系统相比，Exlar电动缸具有以下优点：
　　
　　可构成闭环伺服控制系统，进行精确的位置、速度控制；
　　
　　更容易编程控制，更易集成到自动化控制系统中。
　　
　　系统结构简单，无各种复杂的电磁阀、油路系统、油源、气源、阀门，体积也更紧凑。
　　
　　解决了气动机构的噪音和液压机构油液泄漏的问题，对环境污染更小。
　　
　　与传统的滚珠丝杠（Ball Screw）机构相比，Exlar电动缸具有以下特点：
　　
　　1，传动部件之间的接触面积更大，承载能力更强，刚性更高。
　　
　　2，速度更快：行星辊柱丝杠转速可达6000rpm。
　　
　　3，寿命更长：是滚珠丝杠的15倍，
　　
　　
　　五、总结
　　
　　本控制系统具有较大的灵活性，不仅可以广泛应用于旋转压实仪中，也可以简单修改控制程序，应用于其他需要进行精确压力加载的控制设备。

(责任编辑：admin)

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