伺服运动控制器

2024-06-19

伺服运动控制器（精选9篇）

伺服运动控制器第1篇

实际应用环境一般比较复杂,有大量的信息传递,并且需要对电机转速实行精确控制,因此对伺服控制器的多路通信能力,快速运算能力和抗干扰能力都有较高的要求。为了解决这一问题,提供一个较好的实验平台,本文结合光电跟踪伺服系统的特点,提出一种以TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812为核心,以Altera公司CycloneⅡ系列FPGA为辅助处理器结构的跟踪伺服控制器,并综合阐述了该控制器的功能、硬件设计和软件流程。该控制器采用单+5 V供电,具有6路模拟信号输入、4路模拟信号输出、多路PWM输出、1路CAN总线、2路RS422和1路RS232串行通信口,具有较强的运算能力和数据通信能力,是良好的数字控制系统实验平台。

1 总体结构设计

TMS320F2812作为一款专为电机控制所设计的芯片,不仅具有运算速度快的特点,而且集成了丰富的片内外设资源[3]。设计时综合考虑DSP片上资源的充分利用、系统的模块化和可移植性等特点,将整个控制器大体分为4个部分:DSP模块、FPGA模块、D/A转换模块和通信接口模块。控制器的总体硬件结构如图1所示。

从图1中可以看出,DSP通过CAN总线接收上位机指令;位置信号通过两路RS422通信口传给DSP作相应处理;速度信号是由DSP片上集成的QEP电路对电机产生的正交编码脉冲信号进行解码获得;DSP输出的PWM信号与FPGA相连,通过FPGA内部的保护模块后经光电隔离输出到功率放大模块。外部中断经FPGA片内中断控制逻辑后输出到DSP外部中断管脚上;DSP与FPGA之间的数据交换通过DSP片上的多通道缓冲串口(Mcbsp)来实现;D/A转换器控制由FPGA内部的D/A转换接口模块接收DSP传来的数字量并控制逻辑时序;计算机调试接口采用RS232。

2 硬件电路设计

2.1 DSP模块

32位定点数字信号处理器TMS320F2812整合了DSP和微控制器的最佳性能,能够在一个周期内完成32×32 bit的乘法运算,或2个16×16 bit乘法累加运算,处理速度最高可达150 MIPS。它采用高性能静态CMOS技术,内核电压为1.8 V@135 MHz,1.9 V@150 MHz,I/O端口电压3.3 V[4,5]。其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合电机及其他运动控制应用,能够真正实现单片控制,为电机的伺服控制提供了良好的控制功能[6]。

DSP的功能主要通过软件实现,在此主要实现接收上位机指令,完成位置环和速度环反馈的双闭环控制算法,以及速度的PID调节,产生PWM输出。由于实际工作环境较为复杂,所以选用了抗干扰能力强的CAN总线作为与上位机的通信方式,TMS320F2812内部集成了一个e CAN模块,只需增加相应的CAN收发器外围电路就可以实现通信。根据系统采样频率调整事件管理器的定时器,控制寄存器的控制字来设定PWM工作方式和频率,通过调整比较寄存器的数值来改变PWM的占空比,根据功率驱动电路的驱动芯片来设置死区控制寄存器的数值来调整死区时间,通过专用的PWM输出口输出占空比可调的带有死区的PWM信号[7]。

将DSP片上集成的多通道缓冲串口配置成SPI模式,与FPGA内部的SPI模块完成数据交换,从而完成DSP对FPGA的控制。此时DSP上的Mcbsp为SPI通信的主机,FPGA内部的SPI模块为从机,从FPGA读取数据时,只需向从机发送伪数据。这种通信方式避免了占用大量的DSP I/O口资源,速度快,出错率小。

由于TMS320F2812内部集成的12位高速A/D转换器只能输入电压范围在0~3 V以内的模拟信号,因此需要对输入的双极性电压信号进行处理,具体电路如图2所示。为了提高A/D采样精度,需要进行软件校准,基本思想是通过采样已知电压信号来确定偏差。

2.2 FPGA模块

FPGA选型时综合考虑片上逻辑单元、用户I/O口数量以及功能扩展的需要,根据前期仿真结果选用Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8,它具有8 256个逻辑单元,138个用户I/O,36个M4KRAM和2个锁相环,内核电压只有1.2V,具有低成本、低功耗的特点[8,9]。由于FPGA具有高速并行处理能力,所以保证了系统的同步性[10]。它的I/O口支持3.3 V LVTTL电平,与DSP管脚电平兼容,因此不用进行电平转换,可直接连接,使用方便。

FPGA模块主要完成伺服控制器的逻辑接口功能,并可以扩展通用I/O口数量,方便功能扩展。在此主要实现4个模块:串行通信接口模块、SPI模块、D/A接口模块和中断控制模块。其中SPI模块配置成从机工作模式,与DSP的Mcbsp配合完成DSP与FPGA的数据交换。各模块独立并行工作,并由顶层控制模块统一协调控制,具有速度快、可移植性好的特点。

2.3 D/A转换器模块

根据转换通道数、精度和转换速度,D/A转换芯片选择BURR-BROWN公司的DAC7614。它是12位串行数模转换器,4路模拟输出,功耗只有20 m W,单次转换建立时间10μs[10]。

使用单极性输出时,采用+5 V供电;双极性输出时,采用±5 V供电。在此需要用到双极性输出,基准电压源选用LM336-2.5,负电压基准采用反相放大方式产生。为避免外电路对板内数字电路的干扰,需要对数字部分进行光电隔离。具体电路如图3所示。

2.4 其他模块

其他模块主要包括电源模块和通信接口模块。由于该控制器采用单+5V供电,因此在内部需要进行电压转换,主要包括3.3 V、1.9 V和1.2 V以及-5 V和±12 V。其中3.3 V、1.9 V和1.2 V采用的是一般的LDO电压转换芯片,而-5 V和±12 V则采用开关电源MC34063。由于DSP要求3.3 V上电在1.9 V之前,在这里选用通过3.3 V转1.9 V的方法,既保证了上电顺序,又能提高电源的转换效率。

通信接口模块包括1路CAN总线,1路RS232和2路RS422。设计时主要保证与系统的其他部分匹配,一般都采用通常的工业标准。

3 软件流程

为了提高控制的精度和响应速度,在硬件电路基础上增加位置环和速度环。其中位置和位置增量数据通过RS422从外部编码器传入,速度值数据通过由QEP电路产生。此外丰富的模拟信号输入通道还可以增加电流环和其他反馈量,进一步提高系统的响应速度和稳定性。基本软件流程图如图4所示。

系统上电后自动初始化各端口和相关变量,并等待接收上位机开始指令,接收到开始指令后进入准备状态。因为整个跟踪系统需要同步工作才能产生有效的数据,所以需要等待外部同步脉冲信号,在这里以外部中断的形式接收。然后逐步完成控制算法。当收到结束指令时完成所有工作。

本文给出了一种基于DSP和FPGA的光电跟踪系统伺服控制器的硬件结构和软件流程。实验证明,这种结构紧凑灵活,控制算法完全由控制器完成,使用CAN总线方式传输上位机指令,安全可靠,使计算机完全从工作现场解脱出来。

摘要：在分析光电跟踪伺服系统特点的基础上,以TI公司DSP芯片TMS320F2812作为主控制芯片,采用FPGA进行逻辑时序控制,设计了基于DSP和FPGA的多轴伺服运动控制器。给出了该控制器的功能和硬件结构以及软件流程设计。实验结果表明,该控制器具有高集成度、灵活性、实时性、模块化的特点,完全满足了在复杂环境下对伺服系统控制的要求。

关键词：伺服控制,DSP,FPGA,闭环控制

参考文献

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伺服控制总结大纲第2篇

① 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

② 联系数控装置与被控设备的中间环节，起着传递指令信息和反馈设备运行状态信息的桥梁作用

伺服系统的主要特点精确的检测装置有多种反馈比较原理与方法高性能伺服电动机宽调速范围的速度调节系统

2.怎样利用旋转变压器的鉴幅工作方式进行角位移的测量？

当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电压，当转子转到使它的绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，则转子绕组感应电压为零，当转子绕组磁轴自垂直位置转过一个角度θ时，这时转子绕组中产生的感应电势为： E2 =nV1sinθ= nVm sinωt sinθ

当转子转到两磁轴平行时(即θ=90°)，转子绕组中感应电势为最大，值为E2 = n Vm sinωt 通常采用的是正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，当励磁用两个相位相差90°的电压供电时，应用迭加原理，在副边的一个转子绕组中磁通为： ф3=ф1 sinθ1 +ф2 cosθ1 而输出电压为u3 = n Vm sinωt sinθ1 + n Vm cosωt cosθ1= n Vm cos（ωt-θ1）

综上可知旋转变压器转子绕组感应电压的幅值严格地按转子偏转角θ的正弦(或余弦)规律变化，其频率和励磁电压的频率相同。因此，可以采用测量旋转变压器副边感应电压的幅值或相位的方法，作为间接测量转子转角θ的变化。

3.提高光栅分辨精度的措施有哪些？

为了提高光栅分辨精度，线路采用了四倍频的方案，所以光电元件为4只硅光电池(2CR型)，相邻硅光电池的距离为W/4。当指示光栅和标尺光栅作相对运动的时候，硅光电池产生正弦波电流信号，但硅光电池产生的信号太小需经放大才能使用，常用5G922差动放大器，经放大后其峰值有16伏左右。信号是放大了，但波形还近似正弦波，所以要通过射极耦合器整形，使之成为正弦和余弦两路方波，然后经微分电路获得脉冲，由于脉冲是在方波的上升边产生的，为了使0°，90°，180°及270°的位置上都得到脉冲，所以必须把正弦和余弦方波分别各自反相一次，然后再微分，这样就可以得到四个脉冲。

4.三相永磁无刷直流电动机与一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有什么不同？用装有永磁体的转子 → 取代有刷直流电动机的定子磁极用具有三相绕组的定子 → 取代电枢

用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器 →取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷

5.要得到圆形旋转磁场，加在励磁绕组和控制绕组上的电压应符合什么条件？当励磁绕组有效匝数和控制绕组有效匝数相等时，要求两相电压幅值相等，相位相差90度；当励磁绕组有效匝数和控制绕组有效匝数不相等时，要求两相电压相位相差90度，电压幅值应与匝数成正比。

6.对伺服系统的基本要求有哪些？

稳定性好，精度高，快速响应并无超调，低速大转矩和调速范围宽稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。

精度高伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。

允许的偏差一般都在0.01~0.001mm(1~0.1)之间，高的可达到0.01~0.005m 快速响应并无超调是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快：一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突变时，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。低速大转矩和调速范围宽

机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。同时，为了适应不同的加工条件，要求数控机床进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。

7.步进控制系统为什么常用开环形式？步进控制系统有什么不足之处？

步进电动机开环系统结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低。适用于经济型数控机床和现有机床的数控化改造，且在中、小型机床和速度、精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。

不足：步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性？

8.步进控制系统主要由哪几部分组成？各部分功能是什么？步进电机开环控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。

步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。从步进电机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组

9.改变交流伺服电机旋转方向的方法有哪些? 改变交流伺服电机的相序。①改变控制电压的相位或改变控制绕组的极性； ②改变励磁绕组的特性。

10.感应同步器由有哪些部分组成? 其测量原理是什么? 定尺，滑尺，正弦励磁绕组，余弦励磁绕组？感应同步器工作原理

感应同步器是一种检测机械角位移或直线位移的精密传感器。在伺服系统中，它提供被测部件偏移基准点的角度和位置的测量电信号。感应同步器有旋转式和直线式两种，前者用于测量角度后者用于测量长度，由于在数控机床上应用直线式感应同步器较多。而旋转式感应同步器的工作原理及使用方法与自整角机和旋转变压器相似，它可以用于测量角度，但其精度比感应同步器低些。11.步进控制系统主要由哪几部分组成？各有什么功能？

12.简述伺服系统中直线位移或大角位移检测常用器件有哪些？大角位移检测或直线位移检测，常用感应同步器、光栅、磁尺

13.直流测速发电机与交流测速发电机性能上有什么区别？

异步测速发电机的主要优点是：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。其主要缺点是：存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。

直流测速发电机的主要优点是：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大。其主要缺点是：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。

14.比较普通变压器和旋转变压器的结构和功能有哪些不同。

普通变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

旋转变压器（resolver/transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。（百度）

15、旋转变压器的信号处理有哪两种方式？鉴相型和鉴幅型两种。若一台三相反应式步进电动机，其步距角为1.8度/0.9度，问 a: 1.8度/0.9度表示什么意思？

1.8度是整步,也就是电机转一圈360度,就需要200步,0.9度是半步,如果驱动器有半步输出功能,这个电机转一圈就需要400步？ b：转子齿数是多少？

c:写出三相六拍运行方式正反转的通电顺序

三相六拍通电方式通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA—A。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。三相六拍步距角为15º。

d:在A相测得的电源频率为300hz时，求三相三拍和三相六拍每分钟的转速为多少？（相数和拍数参数改变时要会）

设m为相数，z为转子的齿数则齿距：

360tb=z

因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：

b齿距齿距360拍数KmKmz

若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3：

b36031340

3600.92540 若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40 b若步进电动机通电的脉冲频率为ƒ(脉冲数/秒)步距角用弧度表示，则步进电动机的转速：

17.分析直流机、感应电机、步进电机、伺服电机的特点。直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。直流伺服电动机的结构主要包括三大部分：定子，转子，电刷与换向片。

感应电机：由定子、转子、端盖三大部件组成，利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。步进电动机有如下特点：

1.电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。

2.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3.步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

4.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

5.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。

伺服运动控制器第3篇

在运动控制系统中, 为避免电机在启停或加工突变时发生冲击、失步、超程和振荡现象, 不仅要求能对运动坐标轴的运动轨迹进行控制, 还必须对运动速度实现加减速控制, 以保证加工件的精度和表面质量、减少刀具磨损、提高加工效率。因此加减速控制在加工中占有非常重要的环节。常见的加减速控制方法有:梯形加减速、指数加减速和S形加减速。

本研究主要介绍梯形加减速算法和S形加减速算法。

1 加减速算法研究及特性分析

在加减速控制中有前加减速控制和后加减速控制两种方法。前加减速控制一般放在插补器的前面、插补预处理的后面, 后加减速控制一般放在插补器的后面、位控的前面[1], 如图1所示。

1.1 梯形曲线原理

梯形加减速是加减速控制方法中最为简单的一种, 也是最常用的一种。速度在加减速的过程中按照线性规律变化, 如图2所示。

由图2可知, 梯形加减速可以分为3个部分:

(1) Ⅰ区属于电机加速过程, fl为电机初始速度, fh为电机所运行的最大速度, 加速度为常数。

(2) 在Ⅱ区, 加速度为零, 电机以最大速度做匀速运动。

(3) Ⅲ区为电机减速过程, 其运动过程和加速过程相反。

标准的梯形曲线是完整的, 但是电机可能达不到最大速度, 这样就没有了Ⅱ区, 形成了三角形曲线, 当电机的初始速度大于最大速度时, 电机只做匀速运动[2]。

1.2 S曲线原理

1.2.1 原理

一般情况下, S曲线的加减速过程可以分为7个阶段, 如图3所示, 分别为加加速阶段、匀加速阶段、减减速阶段、匀速阶段、减减速阶段、匀减速阶段、加减速阶段。为了方便编程和处理数据, 假设S曲线是对称的, 因此只需要对S曲线的加速段进行分析即可[3]。

其中, fl, fh分别为电机的初始频率和最大频率;Amax, J分别为最大加速度和加加速。为了简化模型, 假设T1=T3=T5=T7=a/J, 因此S曲线加速阶段的速度计算推导如下[4]:

(1) 加加速阶段。

由数学关系可知, a=df/dt=Jt, f=∫undefinedundefined。即此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

(2) 匀加速阶段。

因为f (t) =f (t1) +Amaxt, Amax=JT1, 此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

(3) 减加速阶段。

由图3可知:a=df/dt=Jt, f=∫undefinedundefined, 即此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

1.2.2 讨论

在实际运行过程中, 7个阶段不可能完全运行, 所以根据不同情况分类讨论, 由运行时间划分, 假设运行时间为t, 则[5]:

(1) 当T1=0, 即当T1

(2) 当T2=0, 即当T1≥t, t>T2时, 加速过程没有匀加速阶段, S形曲线就变成了三角形, 此时加速过程时间最长。

(3) 当每个阶段的时间都不为零时, 就要根据电机的性能和要求来确定时间值。实际上采用S曲线的目的就是为了使电机运行时避免产生冲击、失步和振荡。但在实际应用中, 对加速和减速过程的时间要求以越短越好。因此, 在确定时间段时, 如果只从时间的长短和电机的性能来考虑, 在确定被控对象稳定运行的情况下, T2时间越长, 加速过程所需要的时间就越短[6]。

1.3 S型速度曲线改进

传统的基于7个阶段的S曲线加减速控制算法中, 虽然保证了系统的柔性[7]、加速度的连续性, 但是却增加了计算量, 程序实现复杂, 考虑问题比较多。为了减少计算量, 本研究把7个阶段改为5个阶段来计算。即加减速过程由加加速、减加速、匀速、加减速和减减速组成。

2 两种速度控制算法实现

两种曲线控制伺服电机的原理为:上位机发送速度控制曲线命令到DSP, DSP判断控制曲线的类型, 然后调用相应的函数, 把速度、位置送到脉冲发生器中以控制电机。

2.1 梯形曲线实现

如图2所示, 对于连续的曲线, 本研究采用离散方法逼近理想曲线, 速度分为多档, 速度划分采用建表的思想。

(1) 以定长脉冲为例, 梯形加减速控制流程图如图4所示。

图中, STATE=1, 2, 3分别表示加速阶段, 匀速阶段和减速阶段;GetCurPosition () , WritePgmFifo () 分别表示写脉冲和读脉冲函数[8]。

(2) 建表。

所谓建表是把每个阶段计算的离散速度和位置值放在相应的数组里, 每发出一次脉冲就从相应的表中调用下一组数据。

2.2 S曲线实现

S曲线实现原理和梯形相似, 但是S曲线的加速度易变, 需要对加速度进行离散化, 在此基础上实现速度离散化。

同样以定长脉冲为例, 梯形加减速控制流程图如图5所示。

由于S形曲线的加、减速阶段是对称的, 只需实现加速阶段, 其程序流程图如图6所示。

3 实验仿真结果

本实验采用的软件平台是VC++6.0和CCS3.1, 硬件平台是运动控制实验系统, 控制芯片为基于DSP与FPGA的运动控制卡。实验参数如表1所示。

此外, 系统采样周期为10 ms, PID参数设定为Kp=3, Ki=0, Kd=0。

实验结果如图7～图10所示 (1代表规划曲线;2代表仿真曲线) 。

由实验结果可知:

(1) 梯形曲线是电机运动中应用最普遍、也是最简单的速度控制曲线, 它的算法简单易行, 实现方便, 但不能保证系统的柔性, 在加减速启动和结束时存在加减速突变, 产生冲击, 只适合一些要求不高的数控系统, 在插补中应用较广泛。

(2) S形曲线弥补了梯形曲线的不足, 它通过对启动阶段 (即高速阶段) 的加速度衰减, 来保证电机性能的充分发挥和减小启动冲击。但是其算法比较复杂, 实现起来难度较大, 适合要求比较高的数控。

4 结束语

运动平滑处理技术在运动控制系统的作用不可估量, 直接影响产品加工质量的好坏, 本研究就两种算法的特点以及实现手法作了详尽的介绍, 实验结果也直观地显现了各个算法的优缺点。

参考文献

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[7]曾义芳.DSP基础知识及系列芯片[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.

交流伺服电机的探究控制电机论文第4篇

大

学

控制电机报告

课

程

控制电机

题

目

交流伺服电机的探究

院

系

电气信息工程学院电气系

专业班级

电气

学生姓名

学生学号

指导教师

2015年

X月

X日

目　录

一、引言

二、交流伺服电动机的结构特点

三、伺服电动机的工作原理

21、交流伺服电机

22、永磁交流伺服电机的控制过程

43、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较

四、交流伺服电机的应用

61、交流伺服驱动系统

62、交流伺服控制策略

73、电机模型

五、结束语

六、参考文献

一、引言

用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。

交流伺服电动机结构简单,无炭刷,效率高,响应快,速比大,不需要经常维护,非常引人注目,在许多领域有取代直流伺服电动机之势。

交流伺服电动机控制系统包括;

控制交流伺服电动机转速和输出转矩的逆变器,控制逆变器与变换器之间接点处直流电压的变换器和一个控制器。

当转速低于额定转速时,该直流电压被控制为恒定电压:

而当转速超过额定转速时,该直流电压被控制成与转速成比例的一个增加电压,以便使伺服电动机的输出转矩保持一个恒定转矩。

永磁交流伺服电动机的定子三相绕组由SPWM正弦脉宽调制电源供电，故又称正弦波驱动无刷电动机。其特点是:

伺服性能好，可采用数字控制，运行平稳、转矩波动小、过载能力强;

无普通直流伺服电动机电刷换向器磨损问题，维护简单、寿命长、工作可靠;

能适应高速大力矩驱动要求;

绕组安装在定子上，散热好;

轴上位置传感器多用光电编码器、无接触式旋转变压器等。

二、交流伺服电动机的结构特点

作为交流伺服电动机使用的有异步型和同步型两种,异步型交流伺服电动机定子放置线圈,转子为鼠笼型,大量用作机床和通用工业机器的驱动元件;

同步型交流伺服电动机定子放置线圈,转子为永久磁钢,根据磁极位置从电机外部进行换向,也可称为无刷直流电动机。永久磁钢的交流伺服电动机按其励磁方式和供电方式的不同又可分为两类:一类电机的永久磁铁励磁磁场为正弦波,定子绕组感应出来的反电动势为正弦波,逆变器提供正弦波电流;

另一类电机的永久磁铁励磁磁场为方波,定子绕组感应出来的反电动势为梯形波,逆变器提供方波电流。

三、伺服电动机的工作原理

1、交流伺服电机

（1）交流伺服电机的工作原理交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U

三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相1

°，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。

为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率S

大于1

。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A

点移到B

点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。

必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

（2）交流伺服电机使用时应注意

伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。

调节伺服电机有几种方式，使用T

nLine

软件对电机的PID

参数、电机参数、电子齿轮比等进行调节。

对伺服电机进行机械安装时，应特别注意，由于每台伺服电机后端部都安装有旋转编码器，它是一个十分易碎的精密光学器件，过大的冲击力肯定会使其损坏。

（3）交流伺服电机的控制

为了使控制系统改变不大，应选用数字式伺服系统，可采用原来的脉冲控制方式；由于伺服电机都有一定过载能力，所以在选择伺服电机时，经验上可以按照所使用的步进电机输出扭矩的1

来参考确定伺服电机的额定扭矩；伺服电机的额定转速比步进电机的转速要高的多，为了充分发挥伺服电机的性能，最好增加减速装置，让伺服电机工作在接近额定转速下，这样也可以选择功率更小的电机，以降低成本。

用脉冲方式控制伺服电机，一是可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。二是信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。

当然目前由于伺服驱动器和运动控制器的限制，用脉冲方式控制伺服电机也有一些性能方面的弱点。一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递信息。这两个根本的弱点使脉冲控制伺服电机有很大限制。一是控制的灵活性大大下降；二是控制的快速性速度不高。

伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部。这样系统的P

参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。

2、永磁交流伺服电机的控制过程

永磁交流伺服电动机可利用坐标变换进行矢量控制，这就使得永磁交流伺服电动机的控制变得同直流伺服电动机一样方便。其控制过程如下:

(1)

给定控制，将给定信号分解成两个互相垂直的直流信号、;

(2)

直/交变换，将、变换成两相信号、;

(3)

变换，得到三相交流控制信号、、去控制逆变器;

(4)

电流反馈反映负载情况，使直流信号中的转矩分量iT能随负载而变，从而模拟直流电动机工作情况;

(5)

速度反馈反映给定与实际转速差，并进行矫正;

(6)

闭环控制信号由轴上所带编码器反馈，整个过程由数字信号处理器(DSP)

进行全数字化处理。

永磁交流伺服电动机的另一种控制模式是直接转矩控制。具体方法是:

在定子坐标系下分析电动机数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下，对电动机转矩直接进行控制，不用坐标变换。

3、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较

世纪8

年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。9

年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

（2）定子绕组散热比较方便。

（3）惯量小，易于提高系统的快速性。

（4）适应于高速大力矩工作状态。

（5）同功率下有较小的体积和重量。

到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度，世界上许多知名电机制造商如松下，三洋，西门子等公司纷纷推出自己的交流伺服电机和伺服驱动器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳＡ系列为比较典型的一种。

四、交流伺服电机的应用

1、交流伺服驱动系统

交流伺服驱动系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段密切相关，从直流电机的发明到现在已经有一百多年的历史。直流电机虽然最早发明，但是由于当时铁磁材料以及晶闸管技术的限制，发展很是缓慢，一直到

1960

年以后随着可控硅的发明以及各种电机材料的改良，直流电动机才得到迅速发展，并在七十年代成为各种伺服系统中最重要的驱动设备。在直流电机快速发展以前的一段时期内步进电机应用最为广泛，受当时苏联以及日本等方面因素的影响，磁阻式步进电机快速发展并应用到数控机床设备中，在此时期由于生产要求低、技术落后，伺服控制系统多为开环控制。从

世纪

年代到现在，由于直流伺服电机同功率情况下自身体积较大及换向电刷问题的存在，在很多场合不能满足环境要求。随着电动机生产技术及其永磁体制造材料、现代控制理论、电机控制原理的突飞猛进，出现了方波、正弦波驱动的各种新型永磁同步电动机，逐渐开始替代直流伺服电动机市场。根据对控制系统高性能的要求，现如今的大部分交流伺服系统采用闭环控制方式。

现代交流伺服驱动系统，已经逐渐向数字时代转变，数字控制技术已经无孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器、各种先进智能控制技术的应用等，把功能更加强大的控制器芯片以及各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服驱动系统当中，可以实现更好的控制性能。分析多年来交流伺服控制系统的发展特色，总结市场上客户对其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系统有以下几种热门发展方向：

（1）数字化

随着微电子技术的发展，处理速度更迅速、功能更强大的微控制器不断涌现，控制器芯片价格越来越低，硬件电路设计也更加简单，系统硬件设计成本快速下降，且数字电路抗干扰能力强，参数变化对系统影响小，稳定性好；采用微处理器的数字控制系统，更容易与上位机通讯，在不变更硬件系统结构的前提下，可随时改变控制器功能。在相同的硬件控制系统中，可以有多种形式的控制功能，不同的系统功能可以通过设计不同的软件程序来实现，且可以根据控制技术的发展把最新的控制算法通过软件编程实时的更新控制系统。

（2）智能化

为了适应更为恶劣的控制环境和复杂的控制任务，各种先进的智能控制算法已经开始应用在交流伺服驱动系统中。其特点是根据环境、负载特性的变化自主的改变参数，减少操作人员的工作量。目前市场上已经出现比较成熟的专用智能控制芯片，其控制动静态特性优越，在交流伺服驱动控制系统中被广大技术人员所采用。

（3）通用化

当前，伺服控制系统一般都配置有多种控制功能参数，这有利于操作人员在不改变系统硬件电路设计的前提下方便地设置成恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等多种工作模式，应用领域十分广泛，另外可以控制异步、同步等不同类型的电动机，适应于各种闭环或开环控制系统，交流伺服控制系统的通用化将会在以后的伺服驱动系统发展的道路中越走越远。

2、交流伺服控制策略

最近几十年来，借助于电机控制理论及智能控制理论的不断完善，交流伺服控制理论也随之蓬勃发展起来；由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。现如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势，下面对几种常用的伺服控制策略进行分析比较：

（1）恒压频比控制

在工厂控制领域中使用最为广泛的仍然是恒压频比控制方式，此方法是通过控制输出电压与频率的比是常数，确保电动机的磁通量为定值，从而控制电动机的速度。这种控制方法在低速运行时转矩能力较弱，必须对定子电压压降进行补偿处理，另外因为此控制方法不能直接控制电磁转矩，因此性能较低。但由于恒压频比控制具有实现简单、运行稳定、调速方便等优点，因此在一些对动态性能要求比较低的场合应用比较广泛。

（2）矢量控制

上个世纪，矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的幅值和相位进行控制，可以获得像直流电机一样优越、甚至比直流电动机更好的动态控制性能，另外，矢量控制经过半个世纪的发展已经十分成熟，在伺服驱动系统中应用最为广泛；矢量控制技术的优点主要是原理简单，动态控制性能良好，缺点是在控制实现过程中要进行各种坐标变换，计算量比较大，另外此种控制方法会实时受到电动机定子电阻、电感以及转动惯量变化的影响，基本上不可能实现完全解耦，从而影响系统的动态性能，使控制效果变差。解决方法是加入各种先进的控制算法，对控制器进行智能化改进，从而提高伺服驱动系统的动态性能与鲁棒性。

（3）直接转矩控制

二十世纪八十年代中期，德国专家提出“直接自控制”的高性能交流电动机控制策略，此种控制策略不需要像矢量控制那样对电动机定子矢量电流进行大量而复杂的解耦变换，再通过控制解耦获得的交轴电流分量来间接的控制电动机电磁转矩，它采用定子磁场定向的控制方式，对交流电机的电磁转矩进行直接控制。此方式只受到电动机定子绕组阻值的影响，对电动机除定子绕组阻值之外的其他参数的变动稳定性好，解决了矢量控制受电动机本体参数影响大的缺点。1995

年，ABB

公司首先把直接转矩控制技术应用到了变频器当中，并作为一种高端产品出现在市场中，对矢量变频器提出了挑战。20

世纪末，开始有部分专家学者通过深入研究把直接转矩控制理论引入到交流同步电动机当中，完成了直接转矩控制技术在交流同步电动机伺服驱动领域的重大突破。直接转矩控制的优点是转矩动态响应快，缺点是在转速较低时转矩脉动较大。

（4）智能控制

智能控制理论是最近几十年来的一种新兴学科，它的迅速发展为交流永磁伺服控制技术的进步注入了新鲜血液。智能控制技术由于其自身的理论特点，在非线性控制领域中比经典控制理论更具有优势，在很多场合将会实现比经典控制理论更好的控制特性。

3、电机模型

如图

2-2

所示，给出了

PMSM的简单模型。其中，A、B、C分别为

PMSM三相定子绕组，它们把整个空间均分为三份。在此，根据永磁同步电动机的简单模型以及其坐标变换关系图，获得电的机的理想数学模型，不过要想获得精确理想的电机数学模型是很难实现的，因此在建立数学模型之前，我们首先要对电动机数学模型影响很小的量进行相应的忽略及假设：

（1）忽略磁路铁芯的磁饱和现象；

（2）忽略铁芯磁滞与涡流损耗；

（3）忽略转子上的阻尼绕组；

（4）不计温度影响；

（5）假设气隙磁场呈理想正弦分布。

图1

PMSM

结构简化模型

当

PMSM

三相定子绕组中通入三相交流电时，根据电磁感应定律和基尔霍夫定律可得

PMSM的定子电压、定子磁链和转子耦合磁链的方程分别如式所示：

式中、、——定子绕组相电压；、、——定子绕组相电流；、、——定子绕组总磁链；、、——各绕组耦合磁链；

——定子绕组电阻；

——定子绕组电感；

——转子磁链幅值。

电磁转矩是电动机对外输出能量的重要依据，交流伺服驱动控制系统是否能快速稳定的输出给定的电磁转矩是评价电动机动态响应性能的重要指标，PMSM的电磁转矩方程表述如式所示：

将磁链方程代入上式中可得方程如下式所示：

在隐极式永磁同步电动机中，=，代入上式中可以得到方程如下式所示：

由上式可以看出，通过对定子电流的控制，就可以控制

PMSM的转矩。作用到电机轴上的电磁转矩与电动机转速、负载转矩以及电动机转动惯量之间的变化关系可以用下面的电机运动方程式来表示：

五、结束语

（1）交流伺服电动机作为数控机床的新型执行元件在国外已取得了很大的进展,在我国提供性能好和可靠性高的交流伺服电动机,满足数控系统发展的需要,是当前的一个关键问题。

（2）从国外交流伺服电动机的发展趋势来看,应优先发展成本较低的同步型转速可控的直流无刷电动机。

（3）交流伺服电动机的性能在很大程度上取决于电子控制技术的水平。应力求采用数字控制和计算机控制,以克服交流伺服电动机的不足之处。

（4）随着交流伺服系统应用领域的不断扩大,交流伺服电动机将会有很大的发展。在我国,交流伺服电动机潜力的发掘和发展,尚需我们做大量的工作。

六、参考文献

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［5］邵晓强.永磁交流伺服电动机力矩分析.微电机,1991

伺服运动控制器第5篇

关键词：耦合伺服转台,速度控制,微处理器STM32F103,PWM,模糊PID控制

某伺服跟踪系统有三个轴, 即两个平行的方位水平旋转轴和一个高低俯仰运动轴, 其中下装置为一个方位轴, 上装置上有两个轴, 一个是水平放置的高低轴, 另一个是与方位轴平行的搜索轴。工作时, 搜索天线旋转轴要进行独立的速度控制带动搜索天线旋转, 搜索目标。图1是此跟踪器的动作原理图。由图1可见, 其在运行的过程中, 两个平行的方位水平旋转轴之间存在着复杂的、高度非线性的轴间运动耦合关系, 如不加以考虑, 会直接影响到系统的性能, 严重时更可能导致系统失控[1]。

为消除方位轴的牵连运动对搜索轴的扰动, 实现上方搜索轴的伺服转台独立的速度控制, 设计了一种基于STM32的速度控制系统。伺服转台通过解耦控制来消除方位轴和搜索轴之间耦合作用, 解耦的基本思想是通过对一个具有变量耦合的多输入多输出控制系统配以适当的补偿器, 将耦合程度限制在一定范围或解耦为多个独立的单输入单输出系统[2]。要实现耦合伺服转台独立的速度控制, 关键在于系统的解耦, 消除外部的扰动。要使系统能够实现快速、精确、平稳的速度控制, 控制器的执行效率、位置信号采集电路的设计和伺服控制策略的选取也非常重要。

1 伺服系统总体设计

耦合伺服转台的解耦采用速度补偿法, 即方位轴的伺服转台以速度v运动时, 搜索轴的伺服转台在反方向上的速度增大v运动。在系统实现上, 搜索轴的速度表示为其伺服转台的传感器测得的速度减去方位轴伺服转台的速度, 这样就实现了搜索轴伺服转台独立的速度控制。

系统以STM32F103嵌入式微处理器 (MPU) 为核心构建, 设计采用直流有刷直驱力矩电机作为执行电机, 并以场效应管组成H型桥式电路作为电机驱动器, 利用绝对式编码器作为两个转台的位置传感器, 转台的速度利用对位置取微分得到, 利用AD转换器采集转台的电流信息, 电气控制采用数字计算机控制方式, 以软件为主实现控制策略和控制算法, 通过PWM (脉宽调制) 实现对电机转速的控制。系统的总体设计框图如图2所示。伺服控制系统采用速度和电流双闭环控制结构, 由内到外分别为电机电流控制环和电机转速控制环, 其控制示意图如图3所示:速度调节器是电流调节器的输入, 根据电流调节器的输出改变PWM波的占空比进而控制电机转动的方向和速度, 这两个环的反馈信号都是负反馈。两环相互制约, 使控制达到极其完善的地步。系统将实际转速与给定转速比较, 进行速度环调节;速度环的输出作为电机电流的参考值, 与测得的电机实际电流比较, 进行电流环调节, 最后送入PWM调制。

2 伺服系统硬件设计

2.1 微控制器的选型

作为系统的控制核心, STM32F103的指令执行速度可达1.25DMips/MHz, 再结合其高速数据处理能力, 能很好的支持专家PID控制等算法, 实现实时、高精度控制。STM32F103还对片上外围设备进行了功能创新, 并且内嵌了适合电机控制的PWM定时器, 其高级PWM定时器时钟频率达72MHz, 可提供6路带死区的PWM输出[3]。

2.2 电机驱动电路设计

电机驱动电路的功能是接收微控制器的控制信号, 根据控制信号驱动电机转动的速度和方向。伺服系统驱动电路设计为H型全桥驱动电路, 可方便地实现电机换向。电机驱动电路原理如图4所示, H型桥式驱动电路由4个MOSFET器件IRF3205组成, IRF3205漏源极电阻RDS仅为8mΩ, 漏源极电流ID或IS可达110A, 满足电机运行电流要求。而且IRF3205不用散热片, 节省了空间。UBA2032带死区的驱动信号保证H桥在任意时刻不会有同侧两个场效应管IRF3205同时导通, 即只能有Q1和Q4或者Q2和Q3同时导通, 电流流向如图4的路径1和2所示。电流大小和方向由PWM所决定的占空比确定。其中, 电阻R30和R31组成差分电流传感器, CURR_P、CURR_N分别连接差分电压放大器的正负输入端, 则差分放大器的输出端电压正比于流过电机的电流, 通过采集该电压并将其通过ADC转换为数字量, 实现了电机电流的检测, 将该数字量送到微控制器即可通过软件实现电流反馈控制。

2.3 位置传感器的选择

本系统采用绝对式编码器作为电机的位置传感器, 绝对式编码器可直接输出每个位置对应的数字量, 掉电后位置信息不会丢失, 无累计误差等。本系统采用的绝对式编码器为RD60T14-17-5V-TBB-TMG-1M, 该编码器的测角范围为0-360°, 数据位数为17位, 测量分辨率为10″, 精度为±20″。该编码器的工作电压为5V, 输出接口为RS485, 通信波特率为57.6kb/s, 数据更新率为500Hz。

2.4 AD转换电路设计

通过采集图3所示的电压并将其通过ADC转换为数字量, 实现了电机电流的检测。虽然STM32F103自身带有12位AD转换器, 但是该转换器为单端输入, 电压输入范围0~3.6V, 对于12位ADC一个LSB代表的电压为3.6V/4096=0.000879V=0.879m V, 系统实现过程中, 如此小的电压分辨率, 很难提高信噪比, 不利于提升系统精度。用此ADC实现轴角数字转换精度在3mil左右, 达不到系统精度要求。因此采用MAX1270逐次逼近型12位AD转换器, 该芯片为可编程8通道、多量程双极性输入, 能够较好的满足系统对转换精度的要求。加之采集的电压使用差分放大器隔离后送至AD转换器MAX1270, 进一步抑制了噪声, 提高了信噪比和转换精度。该芯片采用串行SPI接口, 便于和MPU实现通信。

3 伺服系统软件设计

本系统利用定时器TIM1产生PWM, 实现电压调节, 其输出频率18k Hz, 系统的控制周期为10ms, 由于时间较短, 加之机械惯性, 实际系统运行时看不出有间断和向后的感觉。系统的软件系统流程如图5所示:对用到的微处理器STM32F103的各个外设进行功能函数初始化, 接收两个绝对式编码器的数据, 计算出转台的角速度, 读取AD转换结果, 计算出电机的电流, 根据控制算法计算并输出PWM的占空比调节电机的速度[4]。

4 模糊PID控制算法

典型的PID控制方案如图6所示, PID算法表达式为:

式中P (t) 为控制器的输出信号;e (t) 为控制器的偏差信号, 它是测量值b (t) 与给定值x (t) 的差值;Kp为控制器的比例系数;Ti为控制器的积分时间;Td为控制器的微分时间。

令T为采样周期, 对式 (1) 进行离散化处理, 用差分方程代替连续系统的微分方程, 以累加来代替连续系统的积分方程, 可得增量式PID公式:

PID控制具有原理简单、鲁棒性强等优点, 但是存在参数实时调整困难等问题, 在实际应用中有其局限性;模糊控制则可以较好的解决上述问题, 因而广泛用于非线性、参数时变的系统中, 但普通的模糊控制稳态精度较低。因此采用模糊PID控制, 充分发挥二者优点, 达到较好的控制效果[5]。

模糊控制器主要包括模糊化接口、知识库、模糊推理机和解模糊接口四部分, 本模型采用二输入三输出结构, 如图7所示。控制器的输入为误差量e和误差变化率ec, 二者经模糊化接口变换为模糊量。由数据库和规则库构成的知识库为模糊推理提供数据和推理规则, 经过模糊推理后, 解模糊即可输出Kp、Ki和Kd的数字量。

首先, 考虑输入输出量的模糊化。其中输入量e和ec都是连续变量, 根据实验得e的基本论域为[-5, 5], ec的基本论域为[-6, 6]。将e、ec及Kp、Ki、Kd变换到模糊论域E={-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}上, 对应模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。

其次, 建立Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表, 具体方法请见参考文献[6]。

第三, 对模糊值进行解模糊运算。根据建立的Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表得出推理结果模糊值, 该值不能直接作为控制量, 需将其转换为处理器可识别的数字量。本文采用查表法解模糊, 得出精确数字量。

5 实验结果

通过实验, 系统能够实现耦合转台的速度控制, 图8是上述伺服系统方位轴以50 r/min的速度转动时, 将搜索轴加速至300 r/min, 计算得到的转台速度变化曲线。曲线从50 r/min一直到300 r/min速度稳定, 通过对实验结果的分析可以看出, 该系统稳定性好, 静态、动态指标满足设计精度要求, 对系统本设计基本达到了系统对伺服电机转速控制的要求。

6 结束语

系统以嵌入式微处理器STM32F103为核心构建, 利用速度补偿法实现对耦合伺服转台独立的速度控制;系统通过PWM (脉宽调制) 实现对电机转速的控制, 控制采用速度和电流双环控制, 控制算法采用模糊PID控制。控制耦合伺服转台按照给定的角速度转动, 实验结果表明该系统稳定性好, 静态、动态指标满足设计精度要求。由于STM32F103为32位高性能嵌入式微处理器、有较强的数据处理能力, 因此, 具备通过改进算法等措施进一步提高系统性能的潜力。

参考文献

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[5]张博.基于模糊PID的控制器研究[J].软件导刊, 2010, 9 (1) :22-23.

伺服运动控制器第6篇

T-C P U是用于运动控制任务的一个标准的SIMATIC S7-300 CPU,它集成了SIMATIC S7-300 CPU和S I M O T I O N运动控制器内核,C P U与运动控制器SIMOTION之间的数据交换,由T-CPU硬件完成,无需工程师额外编PLC程,节约了用户的开发成本,大大节省了系统的编程、调试和维护时间。T-CPU连接伺服驱动器的硬件配置过程,完全是在工程师所熟悉的STEP7软件平台上解决,工程师无需学习其他编程语言,就可以胜任复杂的运动控制工艺任务。位于STEP7编程库中的T-CPU运动控制功能块(FB块),符合PLCopen规范(任务组运动控制,Task Force Motion Control),不管是用于工程建立、组态还是系统维护,都是极为容易的。T-CPU使用连接驱动器的种类非常广泛。相对一般C P U加上SIMOTION控制器来说,T-CPU的尺寸更加小巧,节省机架空间。

T-CPU连结驱动器通过接口PROFIBUS DP(Drive)来完成。该接口优化了PROFIBUS DP的报文结构,通过了RPOFIDRIVE行规的V3认证,用于直接连接驱动系统。T-CPU适用连接驱动器的种类非常广泛,既可以连接西门子的MC伺服驱动器(控制同步电机),也可以连接西门子的MC步进驱动器(控制步进电机);既可以连接非西门子第三方的伺服驱动器(控制同步电机),也可以连接非西门子第三方的步进驱动器(控制步进电机);既可以连接西门子的SD变频器(控制异步电机),也可以连接非西门子第三方的变频器(控制异步电机);既可以连接西门子的LD驱动器,也可以连接液压伺服执行元件。

2 控制系统配置方案设计

IM174模块可以非常方便地与SIMATIC T-CPU连接使用,它通过DP(Drive)总线等时同步的技术特性,与T-C P U连接,而且价格便宜,硬件参数设置较简单。一个IM174模块可以驱动4路电机,一般只用2~3个IM174就可以完成比较复杂的电机群控制,且可以和非西门子的第三方驱动器很好地结合。此外,IM174可以直接计算出工艺轴的实际速度值,而且当位置传感器失效时,对应的位置控制轴仍然可以在速度控制的模式下运行。基于以上理由,本次设计采用了315T-2DP CPU搭配IM174连接松下A4驱动器的控制方案,总体结构如图1所示。CPU与IM174模块之间是通过SIMATIC T-CPU的DP(DRIVE)通信口使用Profibus总线连接,而IM174与其它IM174模块之间是通过总线形式直接连接,伺服驱动器(Panasonic Minas A4)使用信号线与IM174连接,组成运动控制组件的网络拓扑结构。

3 系统硬件设计

3.1 硬件基本配置

电源模块PS 307(5A):6ES7 307-1EA00-0AA0,1块;CPU模板315T-2DP:6ES7 315-6TH13-0AB0,1块;定位模板IM174:6ES7 174-0AA00-0AA0,2块;数字量输入量模板SM321:6ES7 321-1BH02-0AA0,2块;数字量输出量模板SM322:6ES7 322-1HH01-0AA0,3块;松下A4 Minas交流伺服电机系统5套;若干外围电器设备,如交流接触器,空气开关,稳压器等等。实物图如图2所示。

3.2 硬件组态设置

硬件的参数设置都是在STEP7平台的硬件组态里完成的,它们包括:

(1)DP总线传输率和传输类型设置,分别设置为12Mbps和DP,这样可以保证D P总线以最快的速度运行;

(2)激活恒定总线周期并且设置恒定DP周期为1ms,然后重新计算Slave synchronization中的Ti和To;

(3)勾选CPU的Technology的“Technology system data”选项卡的选项框;

(4)点击“Generate technology system data”以便在T-C onfig中设置参数后,系统自动生成相应的数据块,否则将不能使用T-CPU的技术功能;

(5)在IM174的“Isochronous Operation”选项卡中勾选“Ti和To对所有伺服电机同步”,然后点击“Align”使时间参数一致(IM174模块的个数不同,时间的设置也不一样);

(6)其它设置如无特殊要求一般保持默认。

由于IM174模块在本次设计中占有较重要的地位,所以IM174的硬件组态设置比较重要,它主要包括与电机的通信协议模式,编码器和驱动器类型,最高和一般运行频率,编码器分辨率等等。由于采用的伺服驱动是松下Minas A4交流伺服系统,编码器的分辨率达到了2500×4=10000,也就是说,需要IM174给一万个脉冲,电机的轴才会转一圈,所以单轴的运动精度很高,这很符合现代制造工业对精密度要求越来越高的趋势。

3.3 伺服参数设置

由于使用的是非西门子的第三方驱动器(Panasonic A4 Minas,型号为MCDDT3550003和MDDDT5540003),很多参数必须在伺服驱动器上设置好,才能使伺服与IM174完美地结合在一起,使用起来才会方便。

这些参数包括控制方式选择(位置、速度、转矩)、编码器设置(绝对、增量)、端口波特率设置(RS-232C、R S-4 85)、惯量比、指令脉冲输入选择和方式(光耦、差分)、反馈脉冲分倍频、外部反馈装置Z脉冲设置等等,可根据具体情况设置。

4 系统软件设计

4.1 软件版本

需要说明的是,由于采用的T-CPU型号是比较新的(6ES7 315-6TH13-0AB0),所以要求STEP7软件的版本至少为STEP7 V5.3 SP3。另外,由于设置技术功能参数需要技术功能选件包S7 Technology,根据硬件配置,此软件包必须要最新的S7 Technology v4.1版本,否则,不能正常使用T-CPU的技术功能,只能当一个普通S300C PU使用,所以设计时应根据C P U的型号来选择不同软件版本。

4.2 系统参数设置

根据前面所述,T-CPU的所有参数设置都可以在STEP7软件中集中完成,包括硬件参数和软件参数。硬件参数设置是在STEP7软件的硬件组态中完成的,而软件参数的设置主要是在安装了技术功能选件包的STEP7中的S7 T-Config中实现,它既可以单独运行,也可以集成在STEP7中统一调用,使用非常方便。

在S7T-Config中,我们可以新建轴以及凸轮盘等。以轴为例,轴的添加是由S7T Config的新建轴向导一步步地设置,用户只需要选择自己想要的参数,然后点击“Next”即可。完成新建轴后,可以看到在AXES文件夹下面有Axis_1,而Axis_1文件夹下又有Configuration、Machanics、Default、Limits、Act.val.、Closed-loop control、Homing、Monitoring、Control panel等选项分别可设置该轴的轴刚性、限位、闭环控制、回零、轴的监控等方面的参数。轴的参数设置必须与IM174的硬件设置相匹配,要不然编译时不能通过。例如报文协议,编码器类型等等。

在组态好了T-Config的各项参数配置以后,可以进行编译保存,然后S7 Technology会自动生成轴所对应的数据块。这些数据块可以在接下来的编程中调用。

4.3 系统程序设计

和普通的S7-300 C PU一样,T-CPU的编程是在STEP7的OB,FB中实现的。调用运动控制模块是在左侧窗口栏“Labraries”的下拉菜单“S7-Tech”→“S7-Tech V4.1”中实现的。在这里,可以调用单轴的供电模块(MC_Power)、复位模块(MC_Reset)、回零模块(M C_H o m e)、停车模块(M C_H a l t)、绝对运动(MC_Move Absolute)、相对运动(MC_Move Relative)、附加运动(M C_M o v e A d d i t i v e)、速度控制运动(MC_Move Velocity),根据实际情况,我们可以使用不同运动控制方式来实现不同运动。例如本次设计使用的相对运动控制,可以让电机每次运动不同的距离,具体是多少可以在MC_Move Relative模块中的“Distance”参数中设置。此外,还可以设置轴运转的稳定速度、加速度和减速度等。系统设计流程如图3所示。

5 总结

作者在最初使用T-CPU时感到困难(因为T-CPU的资料中文的比较少),理解怎么使用后,就觉得非常简便,只是简单的“参数设置+模块调用”,这为程序员节省了很多编程时间和精力。T-CPU兼具普通300/400CPU的全部功能和SIMOTION运动控制系统内核,并将两者特点完美地结合在一起,实现了系统软硬件的简化和升华,真正在功能上和使用便捷性上强强互补,是软件功能质的飞跃。最重要的是T-CPU是一个开放的CPU,它能够和非西门子的第三方伺服驱动器完美地结合在一起,使得任何一种组合都成为了可能,也使得用户有了更多选择和自由,这是最重要的。

从使用的效果上来说,非常理想,不仅控制精度非常精确,而且每次运动后可使用0标记(Z脉冲)加外部凸轮进行回零,从而可以消除每次运动产生的误差,使用起来相当方便。

6 展望

本控制系统加以修改或者配合其他组件组合可以用于数控加工、烟草制造、玻璃印刷等多个行业。整个系统的设计、维护、使用都非常方便,真正地实现了科技以人为本的人文科技思想。

西门子提出全集成自动化T.I.A是全球制造业的一种未来发展趋势,也是工业自动化发展的必然要求。T-C PU作为T.I.A的一种产物,能够迅速提高制造行业的自动化水平以及机械制造的柔性程度,使得企业的生产效率得到极大提升,所以,T-CPU在现代制造工业必将有着美好的未来和前途。

参考文献

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[4]西门子中国工业自动化与驱动集团.T-CPU用户指导手册[DB/OL].http://www.ad.siemens.com.cn/prod-ucts/as/simatic/download/T_CPU.pdf

伺服运动控制器第7篇

在工业生产中, 高精度伺服系统有着广泛的应用, 而伺服电机及其控制器价格比较高, 因为它具备普通电机难以达到的位置控制精确度。比如一个推送系统, 一个普通电机加一个位置传感器同样可以实现定位, 当运动部件的感应位置感应到位置传感器时立刻告诉PLC进而切断电机供电, 同样可以使推送系统停在预期的某一位置, 但推送负载与推送速度不同、电机供电电压波动等因素会导致电机断电后的惯性不同, 使得最终停下的位置难以精确, 因此, 需要精确定位时必须使用伺服电机。伺服电机的运行一般是加速-匀速-减速的过程, 到达目标位置时的速度是0, 于是实现了精确定位[1]。

1 系统方案设计

虽然国产的伺服电机目前取得了可喜的进步, 如华中、广数、时光等品牌, 但综合工作稳定性、抗干扰性能、调试便利性等因素, 本文选取拥有较好口碑的进口品牌KOLLMORGEN伺服电机及驱动器作为研究对象, 其应用示意图如图1所示。

图1中, 上位机用于运行伺服控制软件SERVOSTAR400, 软件提供参数设置等画面并且自带示波器。PLC用于控制伺服电机运行, 即接收伺服驱动器的前后限位、故障等信号, 向驱动器发出使能等信号[2]。

伺服电机如果配合相应的直线单元可以构成基本的精确定位传送机构, 如图2所示。本文选择了导程为20mm/圈的丝杠, 即伺服电机转动一圈, 丝杠前进20 mm。伺服电机控制时如果使用脉冲来发送位移指令, 分辨率是2 000脉冲/圈, 即电机转一圈可以发送2 000个脉冲, 此时伺服电机、丝杠系统的运行精度可以达到0.01mm, 即如果位移的脉冲指令发送1, 丝杠将前进0.01mm, 完全可以用于高精度伺服传送领域。

2 KOLLMORGEN伺服控制器的端子说明

根据伺服电机及驱动器使用说明书, 可以确定伺服电机及驱动器的电控接线方法, 而绘制电路接线图将便于操作人员据图学习, 当伺服电机系统经过长时间使用发生故障时也便于据图检查、维修。KOLLMORGEN伺服控制器的前面板上各端子的功能如图3所示。

图3中X0是伺服驱动器的输入电源, 有24V和380V。涉及与PLC传递信号的是X1与X3, X1是上电完成及使能信号, X3是复位、前后限位、到位及故障信号。X5接的是伺服电机的反馈信号, X6是伺服驱动器输出给伺服电机的380V电源。X7是Profibus总线模块, 用于将伺服系统以总线上一个节点的模式纳入更大的控制系统。

3 伺服电机PID调速原理

让电机在设定速度进行精确运行最常用的方法是对电机速度进行闭环控制, 算法通常采用PID算法。

PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于位置式PID控制算法每次输出均与过去的状态有关, 计算量大, 因此通常选择增量式PID控制算法[3]。

式中, , 其中KP为比例系数, TI为积分时间常数, TD为微分时间常数;;C=KPTD/T;k为采样序号, k=0, 1, 2…;Δu (k) 为第k次采样时刻计算机输出的控制增量;e (k) 为第k次采样时刻输入的偏差值。

增量式PID控制算法程序框图如图4所示。

有了伺服电机及其控制器, 精确的速度控制将很容易实现, 避免了使用PLC、单片机、DSP等控制器进行繁琐的算法设计, 算法原理的分析为使用伺服控制器调整PID参数提供了方向, 比如增大KP可以提高响应速度, 可以对比伺服控制器软件里边的速度曲线优化控制效果[4]。

4 KOLLMORGEN伺服控制器的软件设置

伺服电机通过其专用的控制软件将控制参数写入驱动器, 而限位等传感器命令的传递通过PLC实时控制。图5为伺服电机控制软件SERVOSTAR 400。

在图5右上角的“Basic Setup”内可以设置伺服电机在Profibus总线里边的地址及设置位置信息时的单位 (本文选用脉冲incr) 等信息, 如图6所示。

在“Position”内可以设置伺服电机的运动程序, 即每一步的位移量, 单位是脉冲, 如图7所示。

图7中, 1~5列分别表示目标位置、目标速度、目标电流、加速时间以及减速时间。以第一行参数为例, 目标位置20 000的单位是脉冲, 伺服电机驱动的丝杠导程是20mm/圈, 即伺服电机转动一圈, 丝杠前进20 mm, 电机转一圈发送2 000个脉冲, 此时如果位移的脉冲指令发送1, 丝杠将前进0.01mm, 所以目标位置20 000脉冲换算成毫米是20 000×0.01=200mm (即距离零点200mm的位置) ;目标速度30 000脉冲/s换算后为 (30 000/2 000) ×20=300mm/s;加速时间、减速时间的单位都是毫秒, 伺服电机运行一次, 是先加速后减速, 平稳地把目标物送到目标位置, 到达目标位置处的速度也是0, 这样就克服了惯性的影响, 如果运行后半程的减速运动加速度小一些, 则惯性对运行精确性的影响更小, 因此通常减速时间大一些。

5 KOLLMORGEN伺服控制器的参数优化

在缺省参数的基础上, 用软件自带的示波器观察电机运行时的响应曲线, 以曲线的优劣为标准, 采用“试凑法”可以优化电机的控制参数, 使电机的实际转速灵敏、精确地跟随目标转速。图9是图8参数优化后的运行曲线图。

图8的PID参数是系统的缺省参数, 可以发现实际速度值有所波动, 表现在实践中就是电机运行不平稳, 电机推送的丝杠抖动很明显, 而多次修改PID参数的比例与积分参数后, 得到了跟随效果非常好的运动曲线 (图9) , 此时电机及其推送的机构在运行时非常平稳, 几乎感觉不到任何抖动。

6 结语

本文以KOLLMORGEN伺服控制器为核心搭建了简单而足以说明问题实质的控制系统, 对该系统的介绍及调试, 为实际生产中高精度伺服推进系统的设计提供了一定的借鉴。

参考文献

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基于自校正的伺服系统速度控制器第8篇

永磁同步电机(PMSM)具有功率因数高、效率高、功率密度大等优点。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,在中小容量的高精度传动领域像数控机床和机器人控制等得到了广泛应用[1]。

目前伺服系统中一般采用经典控制理论设计的比例积分微分(PID)控制器,应用于参数变化范围不大、耦合性和非线性不强的单输入单输出系统中能得到很好的控制性能。但在电机参数和运行环境发生变化时,传统PID控制器不能很好地兼顾动态响应和抗干扰能力的要求。在数控车床、铣床、加工中心、机器人多关节驱动、雷达方位控制等高精度伺服的典型应用场合,随着技术要求的不断提高,对伺服系统的精度和控制性能也提出了更高的要求。这些系统大都具有惯量、负载等参数变化幅度大、指令曲线阶数高、工况复杂、启停频繁等特点,运行过程中在电机参数变化、负载波动等扰动作用下,基于经典线性控制理论设计的调节器控制和反馈控制等方法很难保证对指令曲线的准确跟踪。因此高性能伺服控制的调节器参数整定和调试一直是一个难点问题,目前仍然没有得到很好的解决。

自适应控制技术能使调速系统在电机参数和运行环境发生变化时仍保持良好的性能,采用自适应控制技术是解决伺服系统上述问题的可能途径之一。早在20世纪90年代,就有一些学者提出采用自适应技术来提高永磁同步电机控制系统的性能,但受到当时DSP处理能力的限制,难以实用[2,3]。近年来提出的一些新的如基于模糊、神经元等的控制器等算法一般较为复杂, 且其稳定性难以分析,不利于工程实现[4]。

本文在永磁电机矢量控制系统的速度环采用自校正控制方式,不需要知道系统的准确参数,在系统结构已知的情况下,控制器通过实时采样系统输入和输出,对系统参数进行辨识,然后根据参数辨识的结果自动校正控制器的参数,输出系统转矩指令。实验结果表明:与传统的固定PID控制方式相比,自校正控制在允许的稳态误差情况下,能减小转速超调和提高转速平稳性,在伺服系统主要参数如负载转动惯量变化时仍能保持较好的控制性能。

2 PMSM数学模型

永磁同步电机在同步旋转d-q坐标系下的定子绕组电压方程可写为

$u_{d} = R i_{d} + \frac{d Ψ_{d}}{d t} - ω Ψ_{q} (1)$

$u_{q} = R i_{q} + \frac{d Ψ_{q}}{d t} + ω Ψ_{d} (2)$

其机械运动方程可写为

$J \frac{d ω}{d t} = p (Τ_{e} - Τ_{L} - B \frac{ω}{p}) (3)$

式中:J为转动惯量;ω为机械转速(角速度);Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B为阻尼系数;p为电机极对数。

电磁转矩表达式为

Te=p(Ψdiq-Ψqid)=p[Ψriq+(Ld-Lq)idiq] (4)

对于表面贴磁式永磁同步电机,Ld=Lq,电磁转矩为

Te=pΨriq=KTiq (5)

式中:KT为转矩系数。

保持id=0可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩,所以在表面式永磁同步电机的矢量控制系统中,经常采用id=0的控制策略。与之对应的永磁同步电机矢量控制系统框图见图1。

3 自校正速度环控制器的设计

为采用自适应控制理论进行设计,首先将系统的数学模型改写为ARMA(自回归滑动平均模型)形式:

A(q-1)y(k)=q-1B(q-1)u(k)+C(q-1)ξ(k) (6)

式中:y(k)为输出;u(k)为输入;ξ(k)为随机干扰。

图2为自校正控制系统的结构框图。图2中输出y(k)为转速ω(k),控制器输入u(k)为q轴给定电流iqref(k),ωref(k)为给定转速指令。

对于系统参数变化较大的伺服控制系统,需进行参数辨识,以预测模型的形式可表示为

$\hat{y} (k + d / k) = β_{0} u (k) + φ^{Τ} (k) θ (k) (7)$

由于最小方差自校正控制对非逆稳定系统(多项式B(q-1)的零点位于q-1平面的单位圆上或单位圆内)是不适用的,参数辨识结果不收敛。为此,首先将永磁电机伺服系统机械运动方程式(3)离散化,结合式(5)并利用文献[6]中的结果,求得系统模型式(6)中的多项式系数分别为

$A (q^{- 1}) = 1 + (\frac{- J}{J + Τ_{s} B}) q^{- 1} (8)$

$B (q^{- 1}) = \frac{p Τ_{s} Κ_{Τ} (1 + \frac{Ι_{q}}{R Τ_{s}})}{J + Τ_{s} B} + \frac{p Τ_{s} Κ_{Τ} L_{q}}{J + Τ_{s} B} q^{- 1} (9)$

$C (q^{- 1}) = \frac{p Τ_{s}}{J + Τ_{s} B} (10)$

式中:Ts为采样时间。

B(q-1)在q-1平面的零点为 $- (1 + \frac{R Τ_{s}}{L_{q}})$ ,位于单位圆外,但考虑到非线性系统线性化带来的误差和系统存在未建模动态的影响,为使系统具有较好的闭环稳定性和抗扰性,本文采用极点配置的加权最小方差自校正控制方法,寻求一个反馈控制率,使系统的闭环极点位于期望的位置。

定义广义输出:

r(t)=p·y(t)-R·yr(t)+Λ·u(t-1) (11)

选择目标函数:

J=E{[p·y(t+1)-R·yr(t+1)]2+[Λ·u(t)]2} (12)

为保证伺服跟踪性能,选择p=R=1,参照文献[6]的做法,认为C=1,得最优控制为

$U (t) = \frac{R y_{r} (t) - G y (t)}{C Λ + B F^{'}} (13)$

Diophantine方程为

p·C=A·F′+q-1·G (14)

将式(12)、式(13)代入系统模型式(6),得闭环系统方程为

$y (t) = \frac{q^{- 1} B R \cdot y_{r} (t)}{A Λ + p B} + \frac{(Λ + B F^{'}) \cdot ξ (t)}{A Λ + p B} (15)$

其中闭环系统特征方程为

AΛ+pB=T=0 (16)

T为所希望的闭环极点特征方程,将Diophantine方程式(14)代入式(16),得:

p·M-q-1ΛL=T·F′ (17)

其中

M=ΛC+B·F′ (18)

L=G (19)

由最优预测模型[8]:

$Ψ ° (t + 1 / t) = \frac{G y (t) + B F^{'} u (t)}{C} (20)$

广义输出最优预测模型[8]:

r°(t+1/t)=Ψ°(t+1/t)+Λu(t)-R·yr(t) (21)

将式(20)代入式(21)并改写成预报模型的形式:

$\begin{array}{l} r ° (t + 1 / t) = G \cdot y (t) + (Λ C + B F^{'}) u (t) - \\ R \cdot y_{r} (t) + (1 - C) r ° (t + 1 / t) \end{array} (22)$

由C=1,得

$\begin{array}{l} r ° (t + 1 / t) = G \cdot y (t) + (Λ C + B F^{'}) u (t) - R \cdot y_{r} (t) \\ = L \cdot y (t) + Μ \cdot u (t) - R \cdot y_{r} (t) \end{array} (23)$

系统参数未知,需结合最小二乘法辨识系统参数:

$Κ (t) = \frac{p (t - 1) \cdot φ (t - 1)}{ρ + φ (t - 1) p (t - 1) φ^{Τ} (t - 1)} (24)$

$p (t) = \frac{1}{ρ} [Ι - Κ (t) \cdot φ (t - 1)] p (t - 1) (25)$

θ(t)=θ(t-1)+K(t)[Ψ(t)-φT(t-1)θ(t-1)] (26)

其中观测向量:

$\begin{array}{l} φ (t) = [y (t), y (t - 1), \dots, y (t - n_{l}) u (t), \\ u (t - 1), \dots, y (t - n_{m}), y_{r} (t)]^{Τ} \end{array} (27)$

参数向量:

θ=[l0,l1,…,ll,m0,m1,…,mm,h0]T (28)

ρ为遗忘因子,给定初始值p(0)和θ(0)。

辨识出参数 $\hat{Μ}$ , $\hat{L}$ 后,通过比较Diophantine方程中的q-1的同次幂系数,由式(14)、式(16)、式(17)和式(18)估计 $\hat{Λ}, \hat{p}, \hat{R}, {\hat{F}}^{'}$ 和 $\hat{F}$ ,得控制器输出:

$u (t) = \frac{\hat{R} y_{r} (t) - \hat{L} y (t)}{\hat{Λ} + \hat{F}} (29)$

4 实验结果

在基于TMS320F2812 DSP的全数字化永磁同步电机伺服控制系统上,对本文提出的自校正速度控制器进行了实验研究。伺服控制系统主要包括上位PC、基于DSP的主控制板、功率主回路、永磁同步电机-负载、光电码盘等。用于实验的永磁同步电机参数为:额定功率550 W;额定转矩5.25 N·m;额定电流2.66 A;额定转速1 000 r/min;最大转速1 200 r/min;极对数4;定子绕组相电阻9.79 Ω;定子绕组d,q轴电感36.36 mH;转子转动惯量0.92×10-3 kg·m2。

实验中伺服控制系统主控DSP 的控制周期为0.12 ms,给定的速度指令是正负300 r/min的方波。

图3～图5为空载时自校正与固定PID控制的速度跟随波形与电流响应的比较。可以看出,对于特定的电机运行状态,无论采用自校正控制器还是固定PID控制器,速度跟踪特性都能达到较好的效果。

为验证自校正调节器的作用,以数控机床、机器人驱动中最典型的扰动参数——负载转动惯量,进行系统的测试。图6～图8为负载变为电机转子两倍转动惯量时,采用与空载时同样结构和参数的自校正控制器与固定PID控制器的速度跟随波形与电流响应的比较。图9为自校正控制器参数的调整过程。

实验结果表明,当负载惯量发生变化时,采用自校正控制器的伺服系统可以保持基本一致的动态和稳态速度跟踪误差,其值明显小于采用传统PID控制器的系统。可以看出,采用自校正控制方式时电机转速能够很好地跟踪给定值且减少了超调。当改变负载转动惯量为两倍转子惯量时,转速稳态误差维持在1.5%,转速比固定PID控制方式更为平稳,同时q轴电流响应的毛刺也较小,在惯量等参数频繁变化的应用场合可以提高伺服系统的跟踪精度,减小电磁噪音。

5 结论

伺服控制系统中一般采用传统的PID速度控制器,在系统和环境参数发生变化时,系统难以维持一致的速度、位置跟踪特性,在负载惯量、转矩大范围变化时容易出现转速波动加大、噪音加大甚至系统震荡的现象,调节器参数极难整定,限制了其应用领域。本文提出的基于闭环极点配置和参数辨识的自校正速度控制器可以较好地解决上述问题,提高系统对环境扰动的适应性。实验结果表明,该自校正控制器可以基于常用的32位定点DSP 2812实时实现,因此具有实用价值,有望于数控机床、机器人等参数大范围频繁变化的伺服驱动场合推广应用。

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[8]史维,陈文吾,何勤奋.自适应控制导论[M].东南大学出版社,1990.

随动裁断设备的伺服控制第9篇

1、设备的简述

1.1 设备简述

本设备的主要工作过程为:裁断物料经牵引机送入设备的裁断部后, 当裁断物料碰到裁断信号后, 伺服电机启动, 以与物料相同的速度前进, 同时液压缸下降, 带动裁断刀具裁断产品。裁断的产品由输送装置送到搬运排出装置上继续前进, 当裁断物料前端碰撞到推料信号后, 推料顶出装置气缸动作, 将产品顶出排出搬运装置, 并落到横向输送皮带上, 皮带将产品送到集料槽内。本设备对物料有一定要求:物料在行进过程中要保证速度平稳且不能弯曲, 否则会导致裁断精度降低。

1.2 伺服电机选型

本设备的控制采用伺服电机的速度控制模式, 以达到裁断装置的速度与生产线速度一致, 保证裁断尺寸的精度。除了速度控制要求外, 裁断装置必须具有较高的响应速度, 即能快速启动和快速停止, 且在停止时无过冲。故在选型时, 要考虑所选的伺服产品是否具有高速、高精度和高性能的特点。而松下新产品A5系列的驱动器恰好具备了这些优点。MINASA5系列对原来的A4系列进行了飞跃性的性能升级, 设定和调整极其简单, 是谁都能感受到其高性能的产品。MINASA5另外一个特点是提高了低刚性机器上的稳定性, 及可在低刚性机器上进行高速高精度运转, 可应对各种机器的使用。

根据本设备负载、速度、转矩的要求, 确定采用MDME152G1G1.5KW的松下伺服电机。本电机为1.5KW中惯量、输入电压为220V伺服电机, 采用5线式20位增量式编码器。电机确定之后, 与之配套的驱动器型号为MDDHT5540。

2、控制系统设计

2.1 硬件系统设计及组成

随动裁断设备的控制系统采用了PLC、触摸屏、各种传感器、执行机构、变频器、伺服系统组成。传感器主要有接近开关、磁性开关、微动开关、行程开关, 用来各装置位置。执行机构主要三相交流异步电机、伺服电机, 风机等。变频器的作用是实现输送速度的调速。伺服系统主要是对裁断装置的精确速度控制, 以实现裁断装置与裁断物料同步。本生产线的控制方式分为:自动模式和手动模式。手动模式主要用于设备单独运行和设备调试或故障维修等。自动模式主要用于正常生产。

2.2 软件设计及伺服调试

2.2.1 软件设计

本系统的软件设计主要依据设备的生产工艺, 编制对应的梯形图及应用画面。

2.2.2 伺服调试

(1) 伺服驱动上电后, 显示Err21.0, 查资料后, 确定为编码器断线报警。由于伺服驱动器到伺服电机编码器的连接线为我公司人员自已焊接, 认为可能有焊接错误之处。

(2) 由于电机端的编码器插头为圆形插头, 且每个插孔上以英文字母为标志, 而上面图电机侧的接线用数字标志, 由于没有找到其它说明, 所以自认为英文字母A应与数字1对应, 故驱动器侧的1对应电机侧D, 2对应A, 5对应C, 6对应G, 按照这种思路接线, 查了多次认为接线没错误, 但驱动器一上电, 就是会出编码器断线报警。无奈之下, 与松下伺服售后联系, 松下售后传来一份编码器接线图, 原来自认为的对应关系并不正确, 正确的对应关系为:1对应电机侧H, 2对应G, 5对应K, 6对应L, 按照这种关系重新焊接后, 上电正常。

(3) 调试过程中出现的问题:在参数输入完成后, 转动伺服电机, 发现电机在停止时不能迅速停止, 出现振动及过冲。本设备调试时采用PANATERM Ver.5.0 A5专用调试软件。

(4) 为了解决上述问题, 利用软件增益调整功能, 根据说明书步骤, 将Pr0.02设定为实时自动调整状态, 自动检测负载惯性比等参数, 并将所得参数写入驱动器。经过测试后, 再次运转伺服电机, 得到较好的制动效果。

摘要：介绍了汽车密封条定长随动裁断设备, 本设备采用OMRON PLC+触摸屏控制, 为了保证产品的裁断精度, 选用松下A5伺服电机驱动裁断装置, 其它传动装置采用OMRON变频器。本设备自动化程度高, 系统运行稳定、可靠, 提高了生产效率, 操作简单, 易于维护。

关键词：随动裁断,伺服电机,伺服驱动器,PLC,触摸屏

参考文献

[1]《MINAS A5操作手册》.

[2]《MINAS A5中文选型手册》.

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