基于LabVIEW和PXI-7358多軸運動控制卡的地震模擬

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、測試系統和分析系統于一體的現代振動試驗系統。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，因此在原子能反應堆、海洋結構工程、水工結構、堤岸結構和橋梁結構等方面發揮著重要的作用。

傳統的地震模擬振動臺大都采用液壓驅動。液壓驅動屬于力封閉控制，在多電機驅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。為了消除液壓系統帶來的污染，減小制造成本，我們提出采用冗余輸入電機驅動的地震模擬振動臺，并設計了具有自主知識產權的冗余驅動模塊，該模塊能將兩個輸入通過機械方式轉換為單輸出。地震模擬振動臺的機構本體為一并聯機構，由8個伺服電機驅動以實現重載，因此在控制系統設計上需要保證8個伺服電機的同步和響應的快速性。

本系統以PXI-1042內嵌PXI-8186控制器為核心，PXI-7358多軸運

動控制卡驅動8個電機，采用Labview7.1軟件的電子齒輪功能實現其中兩個電機的完全同步。本系統從軟件到硬件均采用NI的產品，具有很好的集成性和兼容性，并能夠以最短的周期完成。

地震模擬振動臺機械系統：

我們開發的DZ10型地震模擬振動臺系統綜合了并聯機器人技術、冗余輸入技術等，采用了已申請國家發明專利的雙驅動模塊作為振動臺的輸入。整個臺面為1×1米，由六條運動鏈和八個伺服電機驅動，其中采用雙驅動模塊的兩套電機必須保持控制上的同步。圖1和圖2分別是雙驅動模塊和DZ10型地震模擬振動臺樣機。

圖1 雙驅動模塊

控制系統設計：

控制系統設計要綜合考慮機械本體、目標要求、開發周期等各種因素：

1）系統為八軸運動控制，首先確定運動控制卡為八軸控制卡，如PMAC、ADLINK、NI、固高等產品均可選。

圖2 DZ10型地震模擬振動臺樣機

2）系統中的雙驅動模塊要求兩個輸入電機同步控制，為了簡化設計，采用LabVIEW軟件中的電子齒輪功能是不錯的選擇。

3）與VC、VB相比，LabVIEW軟件及控制軟件包提供了強大的PID算法，數據分析，處理功能。

4）要能有效的縮短開發周期。顯然，LabVIEW圖形化的編程語言對編程者要求很低，能使開發者集中于專業知識的應用。

最終確定本系統總體結構是基于開放式實時測試平臺PXI-1042，以嵌入式PXI-8186作為主控制器，內插NI公司的PXI-7358運動控制卡實現8個伺服電機的運動控制，所有8個伺服軸為聯動方式。NI的7358運動控制卡和PXI-8186的通訊由PXI插槽實現，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，而地震模擬振動臺的輸入輸出信號等開關量，如操作按鈕及狀態指示等，則通過PXI-6511數字輸入卡實現，最多具有64點的開關量I/O。同時，由于PXI-7358運動控制卡本身具有回零、正負限位控制等功能，因此各軸原點及限位開關通過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，即伺服驅動器工作在速度隨動狀態，位置閉環則由PXI-7358運動控制卡完成，因此，位置檢測碼盤信號除接至伺服驅動器外，還需要接到PXI-7358運動控制卡上。系統硬件的結構如圖3所示。

圖3 地震模擬振動臺控制系統框圖

在實際施工時，由于交流伺服系統工作時（主要是逆變時）PWM脈寬調制載波的干擾作用非常強，因此除了在電氣系統上采取了相應的抗干擾措施，如采用三相電源噪聲濾波、三相電抗器外，還從控制柜整體結構上采取了相應的應對措施，把包括上位機PXI設備、PXI-7358運動控制卡、UMI-7774端子板、PXI-6511數字輸入卡等在內的核心控制器布置在弱電數控柜中。同時，把伺服放大器、接觸器、空氣開關、濾波器、電抗器等集中在強電柜中，體積較大的變壓器則單獨封裝。
軟件設計：

軟件設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，能夠方便的生成各種頻率成分、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據，利用并聯機構的反解方程轉換成八個電機的輸入數據。

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）。

電機碼盤每轉1圈是2000個脈沖，四分頻后即為8000個脈沖。絲杠為四頭，螺矩為

12.5mm，可以求得絲杠導程是50mm，所以1毫米對應160個脈沖。MATLAB腳本文件中插入上述分析結果，利用LabVIEW強大的矩陣處理功能，使得方程的求解更直觀，而且程序的后期維護更加方便。圖4是各電機驅動量求解程序的部分框圖。

圖4 地震模擬振動臺電機驅動量求解程序框圖


圖5 地震模擬振動臺控制面板設計

有了輸入數據，還要解決八個輸入電機的空間向量分配問題。由于軟件提供的向量空間是3軸的，而并聯機構各個驅動電機的速度值、加速度值在每一時刻、每一位姿時都是不同的，因此多電機的變參數控制成為并聯機構控制系統設計的一個關鍵問題。我們采用循環賦值的方法很好的解決了這一技術難題。

圖5為該DZ10型地震模擬振動臺控制系統的面板設計，其中包括八個電機軸的分配、設置速度、加速度參數、運動速度幅值和各電機驅動量顯示等。

結論：

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

LabVIEW易學易用的特點使得開發人員大大減少了開發時間，更多的專注于專業知識的應用，極大的提高了工作效率。LabVIEW強大的PID控制系統設計軟件包則更為工業控制領域的研發人員提供了一條捷徑。同時，如果系統從硬件到軟件均采用NI的產品，能夠實現很好的集成性和兼容性，為產品的質量提供保障。