罗柏文， 杨华科， 周知进

(1.湖南科技大学 海洋矿产资源探采装备与技术湖南省工程实验室，湖南 湘潭　411201; 2.贵州理工学院 机械工程学院，贵州 贵阳　550000)

0　引　言

在土工试验中，小流量、高精度的恒水压系统对土样孔隙水渗透试验的数据可靠性有着重要影响。恒水压系统是以伺服电机作为动力元件驱动液压缸活塞运动从而实现水压高精度控制[1-2]。在系统正常工作过程中，伺服电机负载转矩始终在电机额定转矩以下，只有当活塞到达液压缸末端时，负载转矩才有可能超过电机额定输出转矩甚至超过最大输出转矩。当电机卡住时电机的理论位移量不断大于实际位移量，即位移量误差不断增大，导致系统报警并死机。每当发生死机都必须再次上电或按下伺服置位开关才能重新使能伺服驱动，给后续工作带来了诸多不便。本系统采用转矩限制控制信号(TLC信号)实现伺服电机过位移量自动消除控制[3-4]。

1　恒水压系统工作原理

图1　恒水压系统示意图

如图1所示，恒水压系统主要包括液压缸、滚珠丝杠、伺服电机及驱动器、PLC、LabVIEW监控软件。液压缸体与滚珠丝杠螺母固定，丝杆相对于丝杠螺母正反方向旋转可实现前后移动；丝杠一端与活塞连接，可绕轴旋转但不能轴向移动；丝杠另一端与伺服电机输出轴经联轴器连接，伺服电机安装在固定滑槽上，由LabVIEW软件向PLC发出指令控制伺服电机驱动丝杆前后移动，从而带动活塞在液压缸体内前后移动以实现恒水压控制[5-7]。

2　改进型TLC控制方法

针对活塞到达液压缸末端伺服驱动器报警死机这一问题，究其原因是伺服驱动收到的旋转脉冲没有停止而是被迫地继续接收，由于此时伺服电机不能再继续旋转，使得伺服驱动接收到的旋转脉冲数不能实时地转化成电机轴的旋转位移，导致伺服驱动脉冲数不断累积，当伺服驱动接收到的脉冲数累积到一定量后，伺服驱动立马报警并死机。由此提出一种改进型TLC控制方法来解决这一问题，具体解决的思路如下：

(1)利用伺服驱动TLC信号控制PLC停止发送脉冲。伺服驱动脉冲累积得到了阻止，其本质上是阻止了PLC发送脉冲。对于恒水压控制系统而言，活塞到达液压缸末端后，一般会进行折返运动，而此时TLC触发信号使得PLC停止发送脉冲，所以电机无法反转，活塞也无法折返，也就不能满足系统的工作要求。为了使活塞能够折返，需要对伺服滞留脉冲进行消除。

(2)利用电机开关按钮的下降沿实现伺服滞留脉冲的自动消除，即利用开关按钮从开启状态到关闭状态这一瞬间转换信息进行控制，该信息的有效控制时间需要通过PLC编程进行限制。在有效控制时间内使PLC发反向旋转脉冲，使得伺服驱动的累积脉冲不断减小，直到TLC信号触发消失时滞留脉冲为零。从而活塞到达液压缸末端时，既能阻止伺服驱动脉冲累积，又能使活塞折返。

改进型TLC控制方法是在恒水压系统已有控制方法的基础上，为解决伺服驱动总是报警死机这一问题而作出的一种方法改进。为了区别改进前后TLC控制方法的不同，绘制了改进前后的控制流程图,分别如图2、图3所示。

图2　改进前TLC控制流程图

图3　改进后TLC控制流程图

3　LabVIEW与PLC控制程序设计

LabVIEW采用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，设计的LabVIEW控制程序如图4所示。while循环结构通过条件判断控制系统软件的运行与退出，while循环结构框图外连接VISA串口配制与关闭函数，VISA串口配制函数用于信息读写操作的初始化设置，VISA关闭函数用于系统软件退出时关闭串口。while循环结构框图内包含VISA写入与VISA读取函数，以及其它功能函数。VISA写入函数用于伺服电机正反转命令输入，VISA读取函数用于TLC信号读取。通过其它功能函数可实现伺服电机正反转互锁，以及控制TLC信号灯显示。操作人员通过LabVIEW前面板就可对整个系统实时监控[8-10]。

图4　LabVIEW程序图

PLC采用梯形图语言编程，设计的PLC控制程序如图5所示。以伺服电机正转为例，反转类似不赘述。当活塞到达液压缸末端，则伺服电机负载转矩急剧增大，当负载转矩超过电机的最大输出转矩，则伺服驱动器TLC信号变为ON。若PLC检测到TLC信号变为ON，通过编程使输入继电器X1常闭触点断开常开触点闭合。如图5所示的PLC控制程序第80逻辑行，继电器X1常闭触点断开，继电器M4常开触点没满足条件时断开，使脉冲发送指令DPLSY不执行，因此控制伺服电机正转的脉冲输出端子Y0停止发送脉冲，从而阻止伺服驱动过位移量增大。LabVIEW检测到TLC信号为ON后，使TLC信号灯点亮。

图5　PLC控制程序图

当操作人员通过上位机LabVIEW使伺服电机停止正转，PLC程序中用于控制电机正转的继电器M1从得电变为失电，如图5所示的PLC控制程序第60逻辑行，产生一个下降沿脉冲。M1下降沿脉冲接通一个扫描周期，从而使得继电器M3线圈得电并自锁。同时第99逻辑行的继电器M3、X1常开触点闭合，并执行DPLSY发送脉冲指令，输出端Y1发送反转脉冲，从而使得伺服电机负载转矩不断减小，与此同时伺服驱动的过位移量也不断减小。当负载转矩低于最大输出转矩，则伺服驱动器TLC信号变为OFF，从而TLC信号指示灯熄灭，且X1常开触点断开，电机停止反转。

继电器M3线圈得电自锁后，还需复位，否则M3持续得电将会使系统误动作。见PLC控制程序第66逻辑行，定时器T1用于控制继电器M3的得电时间，时间参数K4表示0.4 s，即M3得电0.4 s后T1线圈得电，此时第60逻辑行的T1常闭触点断开，从而M3复位。定时器T1的时间参数K4人为设置，只要能满足TLC信号指示灯熄灭即可[11-12]。

4　试验验证

为验证改进型TLC控制方法可行性，以恒水压控制系统为试验平台。该试验平台所含设备主要有计算机(安装有LabVIEW等软件)、PLC(机型：泰德奥PC1M)、伺服驱动器(机型：泰德奥GSD300)、伺服电机(机型：泰德奥TMS060040AA15)、液压缸(加工定做)、滚珠丝杆(型号：SFU02504-4)等。其中PLC与计算机之间连接有RS485转USB通信线，PLC与伺服驱动之间连接有脉冲信号发送线与TLC信号发送线，伺服驱动与伺服电机之间连接有UVW三相动力线与编码器反馈线。此外伺服驱动器与计算机之间连接有RS422转USB通信线，用于传输伺服滞留脉冲数据供试验研究。试验现场如图6所示。

图6　试验现场图

在伺服电机正转情况下，以活塞到达液压缸末端做试验验证，对没有采用改进型TLC控制方法的程序(用A表示)与采用该方法的程序(用B表示)各做5次测试。试验数据通过伺服驱动Eservo软件获取，用伺服滞留脉冲数表达伺服过位移量，测得A、B两种情况下的伺服滞留脉冲数最大值如表1所示。

表1　伺服滞留脉冲最大值

由表1可知，对于没有采用改进型TLC控制方法的程序，伺服驱动的滞留脉冲数最大值高达295179，此时伺服驱动报警死机。对于采用改方法的程序伺服驱动的滞留脉冲数最大值为8983，相对于295179显著降低，因此避免了伺服驱动报警死机。

图7　伺服滞留脉冲随时间变化对比

以活塞到达液压缸末端为时间起点，绘制TLC控制方法改进前后伺服滞留脉冲数随时间变化的曲线对比图，如图7所示。由图7可看出，在没有采用改进型TLC控制方法前，对应曲线A，伺服滞留脉冲数从0时刻开始一直增加，在b时刻达到最大值，此时伺服报警死机，之后该数值一直保持，必须重新使能上电才能消除。在采用改进型TLC控制方法后，对应曲线B，伺服滞留脉冲数在a时刻不再上升，达到最大值，从而阻止了伺服过位移量增加；当在c时刻关闭正转，伺服滞留脉冲数逐步降低并接近于0，从而伺服过位移量得以消除[13]。

5　结束语

通过采用改进型TLC控制方法实现了恒水压系统伺服驱动过位移量自动消除，从而避免报警死机。改进型TLC控制方法的关键在于把伺服驱动自带的TLC信号经过外部软硬件处理再来控制伺服本身，从而达到过位移量自动消除的目的。根据改进型TLC控制方法流程图，设计了LabVIEW和PLC控制程序，并搭建了试验平台用来验证其正确性。

由试验结果表明，改进后的TLC控制方法能使伺服滞留脉冲数相较于改进前大幅度降低，且最终降为0，区别于改进前伺服滞留脉冲数极大，且一直保持不变。由此证明该改进型TLC控制方法行之有效。

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