伺服电动缸模拟地震的试验研究

引 言

交流伺服电动缸的核心部件为交流伺服电机，通过丝杆将电机的转动转换为推杆的直线运动 。利用交流伺服驱动器可以对伺服电机的转角 、转速和转矩参量实现精确控制 。 将该技术与计算机控制技术相结 合，可 以对交流伺 服 电动缸推 杆的 加 速度 、速度和位移实现高精度动态闭环控制， 为利用交流伺服电动缸模拟地震提供了技术基础 。

1 硬件配置

本文利用一台交流伺服电动缸和相关设备架构了一个小型的振动台系统作为电动缸模拟地震试验研究的平台 。

1.1 系统动力

系统驱动力由一交流伺服电动缸和与之配套的驱动器提供 。 电动缸标示行程 120mm；出力 17kN；速度 100mm/s。电动缸的伺服电机为松下 MINAS A4系列，型号为 MSMA202P1H［4］ ，额定功率2.0kW ，驱动器型号为 MEDDT7364，额定功率为2.5kW 。 详细参数见参考文献。

1.2 系统控制

系统由一台计算机配合运动控制卡组成上位控制单元， 通过加速度传感器以及交流伺服电机中的编码器反馈信号形成闭环控制回路 。

1.3 系统外围

振动台的外围设备包括一个 0.8m× 0.6m的铝合金振动台面和与之配套的基座和轨道， 电源和驱动器的配置箱以及计算机的外围设备等 。

2 数控方案

振动台数控的目标是实现加速度信号的良好模拟再现 。为了实现控制策略的自由性和多样性从而对系统模拟品质进行优化， 将计算机 、运动控制卡 、执行和辅助单元组合成开放式的数控系统［5］ ，采用闭环控制模式［6］ ，进一步提高模拟品质。根据参考文献［7］中的分析， 采用三参量控制模式［8］ 能在较宽频带范围内实现较稳定的动态控制， 控制效果比单一参数好 。

依据三参量控制模式的原理，位移控制对应频率较低的情况，速度控制对应频率中等的情况， 加速度控制对应频率较高的情况， 在计算机中编程实现PID调节器［9］ 的设计，并由计算机完成闭环调节运算。

对于不同的模拟波形，可以分别调节三参量的PID控制参数， 从而达到较理想的模拟效果 。

3 正弦波模拟

正弦加速度波形为已知函数，容易求得峰值加速度 a的表达式 :a= 4π 2 AB 2 /9.8

（1）式中 : A为振幅， m；B为频率，Hz。依据式（1），以峰值加速度为基准选用不同振幅和频率的正弦波进行模拟， 分析模拟效果并试验系统的模拟极限 。

3.1 峰值加速度

试验选取 0.1 g、0.2g和 0.4g三种加速度峰值正弦波，分别试验了 3~8Hz频率下的模拟效果， 加速度峰值的模拟情况以相对误差表示。

3.2 正弦波畸变

将系统输出的模拟加速度波形和峰值一致的标准正弦波比较， 计算两者的相关系数作为波形相似度的评价指标 。相关系数越接近 1则说明模拟输出的正弦波畸变越小 。波形的畸变情况如图 3所示 。

3.3 系统模拟极限试验

通过正弦波模拟试验测试，得到该系统能够模拟输出的最大加速度为 0.45g，通过测试各种加速度等级，得到系统能够响应的正弦频率上限为 10Hz。对于相同的输入信号， 调整台面荷载， 在伺服电动缸的推力范围内对输出波形影响很小， 当根据输入加速度计算的理论推力大于额定推力时， 加速度折减，严重时直接造成电机断电保护 。

4 地震波模拟

地震加速度波形为随机脉冲信号，根据设计的数控方案， 输入信号还需要对应的地震速度和位移波形，因此要对加速度波形进行积分 。 采用普通数值积分误差极大， 无法满足要求， 利用频域积分效果较理想 。 要注意的是得到的位移脉冲幅值不能超过电动缸行程范围 。 可以在合理范围内适当提高加速度信号的最小截止频率 （滤去信号的一些低频成分）以减小位移幅值或加大电动缸行程以满足条件 。通常因为试验相似比的原因将地震波的时间压缩，这样位移幅值会大幅减小，一般都可满足行程要求。 积分得到的位移初始值通常不在零点， 为了保证系统初始化后载入信号时的合理稳定， 可将位移脉冲减去初始值， 位移曲线整体相位移动不影响加力度模拟输出 。

本文模拟的地震波采用汶川地震什邡八角台记录的东西分量波形， 将加速度峰值和时间轴调整得到不同的对比波形 。 图 4为加速度峰值 0.27g的地震波模拟效果，图 5为峰值调整一致后对应输入输出波形的自功率谱密度曲线比较 。

地震波模拟的峰值折减规律和正弦波相近， 不再赘述 。将输入输出的波形峰值调整一致后直接计算输入输出波形的相关系数， 结果列于表 1中 。

5 分析与结论

（1）通过多次的参数整定试验， 对于在三参量控制模式下的增益系数设置得到和文献 ［7］中相同的结论：加速度和速度的控制增益系数过大会使得系统内环不稳定， 系统极易产生高频振荡现象 。

（2）利用选用的交流伺服电动缸配合本文的数控方案， 实现最大加速度 0.45g的模拟输出， 在施载和卸载的情况下该值不变， 说明制约交流伺服电动缸最大加速度的是交流伺服电机自身的惯量极限限制，但伺服电机惯量的计算和标示方法以及其与极限加速度的关系还需进一步探讨 。

（3）本文采用的交流伺服电动缸响应的最大频率在 15Hz以下，基本能满足普通地震波的频率分布范围，但是对于时间轴压缩的波形或是频率分布较大的白噪声激励， 高频成分的模拟势必带来困难 。

（4）从正弦波的模拟输出可以发现， 加速度太大或是太小都不利于系统高频的实现 。 并不是加速度越小的波形越容易输出实现 。 在低频情况下， 小加速度波形的模拟输出误差很小，随着频率的升高，峰值误差几乎呈线性增长，但系统输出的畸变很小；在大加速度的情况下， 对系统的动态控制准确性和稳定性要求更高， 在频率升高时容易出现波形的严重畸变 。 从图 2和图 3中不难发现， 在输入加速度信号为 0.2g时系统的动态响应最佳，输出品质最好 。

（5）虽然提高输入的加速度值能够在一定程度上抵消输出波形的峰值折减， 但是由于系统极限的限制， 波形各处不是等比例提高的， 这对于地震波而言往往造成原来峰值较小处的相对放大， 从而造成波形的畸变 。再者将地震波时间轴压缩后， 频率提高，受到电动缸的频率响应范围和动态性能的限制影响， 更多的频率成分被平滑忽略， 波形的失真会更加严重 。