序言：

       地震模擬振動臺是地震工程研究的重要手段，是集激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和分析系統(tǒng)于一體的現(xiàn)代振動試驗系統(tǒng)艰垂。由于地震模擬振動臺不僅負載量大，而且能模擬天然地震波和人工地震波埋虹，因此在原子能反應(yīng)堆吭辛、海洋結(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)驳辖、堤岸結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著重要的作用嘴净。

       傳統(tǒng)的地震模擬振動臺大都采用液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動屬于力封閉控制体咽，在多電機驅(qū)動時能夠通過液壓缸中液體的自身彈性達到同步控制的目的护狠。為了消除液壓系統(tǒng)帶來的污染，減小制造成本，我們提出采用冗余輸入電機驅(qū)動的地震模擬振動臺同蚂，并設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的冗余驅(qū)動模塊懊玖，該模塊能將兩個輸入通過機械方式轉(zhuǎn)換為單輸出。地震模擬振動臺的機構(gòu)本體為一并聯(lián)機構(gòu)扔相，由8個伺服電機驅(qū)動以實現(xiàn)重載力鹰，因此在控制系統(tǒng)設(shè)計上需要保證8個伺服電機的同步和響應(yīng)的快速性。

       本系統(tǒng)以PXI-1042內(nèi)嵌PXI-8186控制器為核心厚遗，PXI-7358多軸運
動控制卡驅(qū)動8個電機腺首，采用Labview7.1軟件的電子齒輪功能實現(xiàn)其中兩個電機的完全同步。本系統(tǒng)從軟件到硬件均采用NI的產(chǎn)品区匣，具有很好的集成性和兼容性偷拔，并能夠以最短的周期完成。

地震模擬振動臺機械系統(tǒng)：

       我們開發(fā)的DZ10型地震模擬振動臺系統(tǒng)綜合了并聯(lián)機器人技術(shù)亏钩、冗余輸入技術(shù)等莲绰，采用了已申請國家發(fā)明專利的雙驅(qū)動模塊作為振動臺的輸入。整個臺面為1×1米姑丑，由六條運動鏈和八個伺服電機驅(qū)動蛤签，其中采用雙驅(qū)動模塊的兩套電機必須保持控制上的同步。圖1和圖2分別是雙驅(qū)動模塊和DZ10型地震模擬振動臺樣機栅哀。

控制系統(tǒng)設(shè)計：

        控制系統(tǒng)設(shè)計要綜合考慮機械本體震肮、目標要求、開發(fā)周期等各種因素：

        1）系統(tǒng)為八軸運動控制留拾，首先確定運動控制卡為八軸控制卡戳晌，如PMAC、ADLINK痴柔、NI沦偎、固高等產(chǎn)品均可選。

圖2 DZ10型地震模擬振動臺樣機

       2）系統(tǒng)中的雙驅(qū)動模塊要求兩個輸入電機同步控制溅蓖，為了簡化設(shè)計鹤仲，采用LabVIEW軟件中的電子齒輪功能是不錯的選擇。

       3）與VC剥讼、VB相比壕赘，LabVIEW軟件及控制軟件包提供了強大的PID算法，數(shù)據(jù)分析乞芳，處理功能铐儡。

       4）要能有效的縮短開發(fā)周期。顯然细抠，LabVIEW圖形化的編程語言對編程者要求很低菠珍，能使開發(fā)者集中于專業(yè)知識的應(yīng)用樱搪。

      最終確定本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)是基于開放式實時測試平臺PXI-1042亭弥，以嵌入式PXI-8186作為主控制器阴香，內(nèi)插NI公司的PXI-7358運動控制卡實現(xiàn)8個伺服電機的運動控制，所有8個伺服軸為聯(lián)動方式粮剃。NI的7358運動控制卡和PXI-8186的通訊由PXI插槽實現(xiàn)恳蹲，因而具有很快的傳輸速度。

       PXI-7358運動控制卡主要完成運動控制俩滥，而地震模擬振動臺的輸入輸出信號等開關(guān)量嘉蕾，如操作按鈕及狀態(tài)指示等，則通過PXI-6511數(shù)字輸入卡實現(xiàn)霜旧，最多具有64點的開關(guān)量I/O错忱。同時，由于PXI-7358運動控制卡本身具有回零挂据、正負限位控制等功能以清，因此各軸原點及限位開關(guān)通過UMI-7774接口板卡直接連接到PXI-7358運動控制卡上。

       PXI-7358運動控制卡對各伺服軸的控制是以速度指令輸出的形式給出的崎逃，即伺服驅(qū)動器工作在速度隨動狀態(tài)掷倔，位置閉環(huán)則由PXI-7358運動控制卡完成，因此个绍，位置檢測碼盤信號除接至伺服驅(qū)動器外勒葱，還需要接到PXI-7358運動控制卡上。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖3所示巴柿。

       在實際施工時凛虽，由于交流伺服系統(tǒng)工作時（主要是逆變時）PWM脈寬調(diào)制載波的干擾作用非常強，因此除了在電氣系統(tǒng)上采取了相應(yīng)的抗干擾措施栓属，如采用三相電源噪聲濾波礁懂、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)對措施翎郭，把包括上位機PXI設(shè)備撮译、PXI-7358運動控制卡、UMI-7774端子板蔽掀、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)控柜中龄羽。同時，把伺服放大器循抱、接觸器砂姥、空氣開關(guān)、濾波器蟀符、電抗器等集中在強電柜中掠记，體積較大的變壓器則單獨封裝。
軟件設(shè)計：

       軟件設(shè)計中需要解決的首要問題就是地震波形的生成。采用Labview的波形生成器傍菇，能夠方便的生成各種頻率成分猾瘸、各種類型的波形。然后將這些波形文件作為地震模擬振動臺的振動數(shù)據(jù)丢习，利用并聯(lián)機構(gòu)的反解方程轉(zhuǎn)換成八個電機的輸入數(shù)據(jù)牵触。

       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B（i），通過反解即可確定第i支鏈與動平臺相連的球鉸中心點C（i）和B（i）點在固定坐標系下x的坐標 dx（i）咐低。

       電機碼盤每轉(zhuǎn)1圈是2000個脈沖揽思，四分頻后即為8000個脈沖。絲杠為四頭见擦，螺矩為
12.5mm钉汗，可以求得絲杠導(dǎo)程是50mm，所以1毫米對應(yīng)160個脈沖鲤屡。MATLAB腳本文件中插入上述分析結(jié)果损痰，利用LabVIEW強大的矩陣處理功能，使得方程的求解更直觀执俩，而且程序的后期維護更加方便徐钠。圖4是各電機驅(qū)動量求解程序的部分框圖。

       有了輸入數(shù)據(jù)蚤就，還要解決八個輸入電機的空間向量分配問題寥伍。由于軟件提供的向量空間是3軸的，而并聯(lián)機構(gòu)各個驅(qū)動電機的速度值闰厨、加速度值在每一時刻撼腹、每一位姿時都是不同的，因此多電機的變參數(shù)控制成為并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵問題害寸。我們采用循環(huán)賦值的方法很好的解決了這一技術(shù)難題瓦腋。

       圖5為該DZ10型地震模擬振動臺控制系統(tǒng)的面板設(shè)計，其中包括八個電機軸的分配寝谚、設(shè)置速度妙旅、加速度參數(shù)、運動速度幅值和各電機驅(qū)動量顯示等蹋烂。

結(jié)論：

       基于美國NI公司的LabVIEW軟件战覆、PXI設(shè)備、多軸運動控制卡等先進的虛擬儀器技術(shù)苹动，我們用極短的時間成功開發(fā)了DZ10型地震模擬振動臺控制系統(tǒng)的設(shè)計柬乓，為國家杰出青年基金項目（50125516）的順利完成奠定了基礎(chǔ)。

        LabVIEW易學(xué)易用的特點使得開發(fā)人員大大減少了開發(fā)時間蠢涝，更多的專注于專業(yè)知識的應(yīng)用玄呛，極大的提高了工作效率阅懦。LabVIEW強大的PID控制系統(tǒng)設(shè)計軟件包則更為工業(yè)控制領(lǐng)域的研發(fā)人員提供了一條捷徑。同時徘铝，如果系統(tǒng)從硬件到軟件均采用NI的產(chǎn)品耳胎，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的集成性和兼容性，為產(chǎn)品的質(zhì)量提供保障庭砍。

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