伺服控制策略范文（精选11篇）
伺服控制策略 第1篇
关键词：PMSM运行模式,控制策略,解耦控制,矢量控制,直接转矩控制
0 引言
作为一种同步电机,和传统的绕线式感应电机相比较,永磁同步电机(PMSM)具有显著的优点,它无转子绕组,机械结构简单,功率损耗低,动态响应迅速,转矩波动系数小,整体性能可靠。因此,永磁同步电动机应用十分广泛,在国民经济的各个领域发挥着巨大的作用,如在工业、农业、航天航空与国防领域等。目前较为广泛的应用是高精度数控机床,工业机器人等,这些场合对电机的控制性能、控制精度、可靠性都有较高要求[1]。
1 伺服系统构成
一个典型的伺服控制系统,其基本结构如图1所示。它包括:伺服电机,机械传动机构,整流与逆变器,位置/速度检测机构,数字控制器,电源,接口与保护部件等[2]。
2 永磁同步电机的数学模型
在分析永磁同步电机的数学模型时,为了简化起见,常假设以下条件成立:①转子上只有永磁体,无阻尼绕组;②定子绕组是三相对称的;③不计铁心和磁滞损耗,磁路线性且不饱和;④反电动势是比较标准的正弦波;⑤忽略磁场高次谐波。
2.1 永磁同步电机状态方程
永磁同步电机根据其转子的磁路结构常分为面装式、嵌入式和内埋式三种。由于面装式结构的凸极效应弱,气隙磁场大而均匀,所以常作为伺服系统的首选。
永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型如图2所示。
磁链方程为:
其中,Ld、Lq为d、q轴同步电感;id、iq为定子电流矢量d、q轴分量;φd、φq为定子磁链的d、q轴分量;φf为转子磁链。
电压方程为:
其中,Rs为定子绕组电阻,ud、uq为定子电压矢量d、q轴分量;
转矩方程为:
运动方程为:Te=TL+BωM+JdtdωM(4)
其中,J为转动惯量;TL为负载转矩;B为黏滞摩擦系数;ωM为机械角速度,pn为极对数,ωr为电角速度。
2.2 永磁同步电机的两种基本运行模式
为了简化说明,设永磁同步电机的极数为2,其电枢磁场大小和方向均可调节,按电枢磁场与转子磁场的夹角与主从关系区分为两种基本控制模式,如图3与图4所示。
在开环控制模式中,电枢磁场先旋转,转子跟随电枢磁场而同步旋转,即电机磁场主动,转子从动,电枢磁场与转子的夹角为0°。这种控制方式类似于步进电机的控制方式,具有步进电机运行的特点,如:起动电机时,需要作变频起动;输出转矩随着转速的增加而减小;负载变化时,电枢磁场与转子的夹角会发生变化;电机转动不仅要给电机通电,还要不断改变电枢磁场的方向。由于此种控制方式是通过SVPWM方式实现的电枢磁场方向调整的,因而又具有新的特点,其步进角度理论上可以无穷小,仅受微处理器的数据处理位数制约。
闭环控制模式运行过程中,必须知道转子当前的位置。假定在初始时刻,定子电枢磁场与转子的位置相对关系如图4所示。显然,此时转子受到磁场力作用,将沿着图中ω1所示方向转动,在微处理器的一个采样控制周期中,假定电机的转子转动了θ角度,位置传感器也会跟随着转动θ角度,该角度将会被微处理器读取,再通过数值运算将电枢磁场的方向沿ω1方向旋转θ角度,这样电机磁场与转子仍然保持了初始角度。显然,在这种状态下,电枢磁场与转子的转速仍然相等,即所谓同步。由于反电动势的存在,电机转子不会持续加速,最终电机的电磁转矩与负载转矩达到平衡时,电机停止加速而进入稳定运行状态。
永磁同步电机的闭环控制模式与直流电机的运行方式类似,给此模式下的电机通以一定大小的电流,电机就会转动,其区别在于直流电机是使用换相电刷来实现转子与定子磁场的相对位置关系。但闭环控制模式引出了一个问题,即转子初始位置检测。只有知道了转子的初始位置,才能正确施加垂直磁场。常用的获取转子初始位置的方法有固定磁场方向法、脉冲电压方法[3]、高频信号注入法[4]等。
3 永磁同步电机控制策略发展现状
目前对永磁同步电机的控制方法的研究已十分多样,有必要从整体上进行总结。这里对其总结成三个方面,即针对闭环调节器的控制,针对电机自身的控制,信号反馈技术。
3.1 闭环调节器的控制
永磁同步电机的数学模型与异步电机相比,简单了不少,但仍具有非线性,强耦合,多变量等特点,寻求比普通PID调节器更优良的控制策略是提高交流伺服系统性能的有效途径之一。
(1) 基于现代控制理论的控制策略
基于现代控制理论的电机控制方法有许多,典型的如滑模变结构控制,自适应控制等。其中,自适应控制能够抑制系统运行时参数变化的影响,获得有用的模型信息,使控制器的控制参数能够得到自动调整。但这些方法均存在两个问题,一是模型复杂,运算繁琐;二是校正和辨识的时间较长,实时性不佳。
此外,还有许多现代控制理论被用到转速控制器设计中,包括自适应逆推、反馈线性化、鲁棒控制等[5]。
(2) 基于智能思想的控制策略
典型的智能控制方法如模糊控制是模糊数学与控制理论相结合的产物。现实中,有些被控对象是难以建立精确的数学模型的,这时,使用模糊控制的方法是一种非常不错的选择。当前,在永磁同步电机的控制方面的,模糊控制的应用与研究已取得了许多成果[6],在电机的控制领域,仍有不少与模糊控制相结合的控制方法出现。
神经网络控制也是一种基于智能思想的控制策略,其并行处理,分布存储,自组织,自学习及神经计算能力,使其成为一种很有前途的控制方法[7],目前已有不少文献对此进行研究。
3.2 电机自身的控制
交流伺服系统中对电机自身的控制方法主要有:压频控制、磁场定向控制,解耦控制与直接转矩控制。
(1) 压频控制
压频控制是一种开环控制方法,不需要电机位置、速度等反馈信息,其控制方法简单,无复杂的控制算法,方便实现。缺点是无法获取电机的电磁转矩和工作状态。因此只适用于一般的水泵和风机等场合[8]。
(2) 矢量控制
矢量控制是德国西门子公司的F.Blashcke在七十年代提出的。该方法的主要思想是将三相磁链矢量、电压矢量、电流矢量,通过坐标变换为两相矢量。目前,矢量控制的方法在理论上与应用上都十分成熟,具体包括:最大转矩与电流比控制、id控制、弱磁控制、最大输出功率控制、cosφ=1控制、恒磁链控制等。
在所有的控制方法中,使id=0的控制方式最为简单,它能够将三相电流转变为两相dq电流,然后对dq电流分别进行控制,使得只存在q轴电流,进而实现永磁同步电机的稳态解耦。这里的q轴电流就相当于直流电机的控制回路的转子电枢电流。这样,对永磁同步电机的控制就相当于对直流电机的控制。这种控制方法结构相对简单,计算量小。缺点是当电机负载增加时,电机的功率因数会降低,而定子电压则会升高,所以要让电机正常运行,其逆变器必需要有足够的容量。
(3) 解耦控制
对永磁同步电机的电压方程进行相应的拉氏变换,用结构图表示其传递函数见图5所示。从图中可以明显的看出,永磁同步电机的dq轴分量相互耦合,不能实现Ud和Uq对id和ωM分别的控制,因此,要实现系统高性能控制的关键在于解耦控制[9]。
矢量控制可以实现永磁同步电机的稳态解耦,前提是定子磁链必须到达稳定状态,但动态过程仍相互耦合,其动态响应不能令人满意[10]。
对永磁同步电机的控制而言,已有许多解耦控制方法出现:如将永磁同步电机解耦成二阶线性转速子系统和一阶线性磁链子系统,进而实现转速和磁链动态解耦控制[11];针对dq坐标系下提出的反馈解耦控制方案,在负载转矩波动下,对指令速度有良好的转速跟踪性能[12];还可以对永磁同步电机数学模型进行可逆性求解,得出逆系统进而构造相应神经网络,实现永磁同步电机转速和定子磁链的动态解耦[13]。
这里介绍一种相对简单的方法,针对永磁同步电机的运行特性,设计解耦控制系统如图6所示。
将永磁同步电机与神经元解耦控制器整体构成一个广义对象,则神经元解耦控制器的输入输出为:
神经元解耦控制器算法为:
式(7)中,[ri(k)-yi(k)]为偏差,ηij为神经元的学习速率。神经元权值会根据偏差的变化而实时的做出调整。直到系统输出和系统给定值相等。
由于需要解耦的是dq电流,所以这里反馈的是dq电流。控制系统框图如图7所示。需要注意的是,d轴电流可以通过调节器使其值为零,或者接近零,而电机正常运行时,q轴电流不为零,所以q轴电流对d轴电机的耦合影响时刻存在。
基于神经元的解耦控制策略克服了矢量控制的缺点,可以获得较为满意的动态性能。但其参数的设置对整个系统的影响较大,设置不当容易产生振荡[14]。
(4) 直接转矩控制
直接转矩控制(DTC)是八十年代,由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出的。该方法不需要进行坐标变换,而是直接对电机的转矩和定子磁链进行离散的两点控制。图8给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。它由永磁同步电机、转矩估算、磁链估算、及电压矢量切换开关表等环节组成。
直接转矩控制具有控制直接,转矩响应迅速,系统动态性能好的优点[15]。但由于省去了电流环,并且主开关的开关频率较低,因此,电机的启动比较困难、磁链及转矩的脉动也较大[16]。
3.3 信号反馈技术
通常要获得更高性能的控制效果,交流伺服系统需要运行于闭环控制状态下,因而需要获得电机转子的位置、速度信息等,一般的方法是在电机转轴上安装光电编码器或测速电机等。但装上传感器,会出现许多问题:伺服产品成本增加;由于同心度问题,转子位置出现偏差;连接线缆增加,使得系统容易受到干扰,系统可靠性降低;电机的体积增大;易受到振动、湿度和温度等条件的影响。
为了克服这些缺陷,无位置/速度传感器伺服系统的研究成了当前的热点,根据容易测出的定子电压、定子电流等物理量,通过相应的算法,估算出当前转子的位置与转速信息[17]。无速度传感器控制策略大体上可分为3类:
一类是根据永磁同步电机的数据模型来估算的方法,如通过获得定子电流和电压后进行直接计算的方法;通过比较电压计算值与实测值得到转子位置的电感变化估算方法;反电动势积分法;扩展反电动势法等。
另一类是基于各种观测器模型的闭环算法,如模型参考自适应、降阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波器、全阶状态观测器、滑模观测器等。这类方法是通过永磁同步电机的电压方程推算出感应的反动势,再从中提取出位置信号,适用于高速运行状态下的位置与速度估算,当电机转速较低时,反电动势信噪比小,不能准确估算转子和位置。
还有一类是以基于电机理想特性的算法,如高频信号注入法和低频信号注入法。高频信号注入法不依赖于任何电机的参数和运行的情况,因而可以工作于低速运行状态,但电机必需是凸极性的。而低频信号注入法要求电机不能具有凸极效应,而且电机转子不能有较大的转动惯量,否则检测精度会变差。
4 结束语
伺服控制策略 第2篇
-0.6569i 0.4560-0.6549i 0.7486+0.3037i 0.7486-0.3037i 0.8586 ] K=-0.4072(2 5 阶模型 z1~z4 = [-1.3230 + 0.8407i-1.3230 – 0.8407i 0.8226-0.5599 ] p1~p5 = [0.7534+0.3015i 0.75 340.3439i] K =-0.3807（3）2 阶模型）z1 = [-21.0109 ] p1~p2 = [ 0.8148+0.3688i 0.8148 – 0.3688i ] K =(a 5 阶 模 型 OUTPUT # 1 INPUT # 1 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1-1 0 1 2-1.5-2-2-1 0 1 2 OUTPUT # 1 INPUT # 1 10 8 6 4 2 0-2-4-6-8-10-10-5 0 5 10(c 2 阶模型 图 38 不同阶数模型的零极点分布 Fig.38 Zero-Pole Position in Different Order Models 图 38 中给出了取不同阶数时零极点的变化状态。此环节是非最小相位系 统，当取 2 阶时，一个零点远离单位圆。8.2.2 8.2.2 速度测量信号与模型仿真数据曲线拟合对比 从图 39 中看到，取 5 阶模型时，曲
线已能很好地拟合测量数据。取 2 阶 模型时的拟合误差较大。Output # 1 Fit: 0.17134 电 测 压 速(V 1.5 1---测量曲线 —模型曲线 电 压(v 0.5 0-0.5-1-1.5-2 0 50 100 150 200 Blue: Model output, Black: Measured output 250 300 350 400(a 5 阶模型 电 测 压 速(V 电 压(v Simulated(yellow/solid and measured(magenta/dashed output 1.5 1 0.5 0-0.5-1-1.5-2-2.5 采样时间（×7.81ms）----测量曲线 — 模型曲线 0 50 100 150 200 250 300 350(b 2 阶模型 采样时间（×7.81ms）图 39 Y 轴测量数据与仿真数据曲线拟合 Fig.39 Comparing Speed Signal Measured with Simulated on Techometer of Y Axis 至测速电机输入／ 8.2.3 Y 轴 NC 至测速电机输入／输出信号残差相关函数 Correlation function of residuals.Output # 1 0.5 0 输出值残差自相关函数 1 Correlation function of residuals.Output # 1 输出值残差自相关函数 0.5 0 相 关 系 数-0.5 0 0.1 0.05 0-0.05 5 10 15 20 25 相-0.5 Cross corr.function between input 1 and residuals from 输出值残差自相关函数 关 系 数 0 5 10 15 20 25 Cross corr.function between input 1 and residuals from output 1 0.15 0.1 0.05 0-0.05 输出值残差自相关函数-0.1-30-20-10 0 10 20 30 延迟（lag）-0.1-30-20-10 0 10 20 30(s 延迟（lag）(s(a 5 阶模型(b 2 阶模型 图 40 Y 轴 NC 单元至测速电机间不同阶数模型的残差相关函数 Fig.40 Correlation Function of Residuals in different Order Models between NC Unit and Techometer 8.2.4 不同阶数模型的阶跃响应特性 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0-0.1 0 0.7----CRA —ARX 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0-0.1 0----CRA —ARX(a5 阶模型 5 10 15 20(b2 阶模型 5 10 15 20 图 41 不 同阶数模型 的阶跃响应 Fig.41 Step Response Using CRA and ARX Models 时间（×7.81ms）时间（×7.81ms）8.2.5 Bode 图 幅 值(dB 10 2 AMPLITUDE PLOT, input # 1 output # 1 10 0-2----测 量 曲 线 — 模型曲线 10 10-4 10 0 101 102 103 相 位(度 PHASE PLO T, input # 1 output
# 1 0-500-1000-1500----测 量 曲 线 — 模型曲线(a 5 阶模型-2000 0 10 10 1 频率 10 2 frequency(rad/sec 10 3 幅 值(dB 10 0 AMPLITUDE PLOT, input # 1 output # 1----测量曲线 — 模型曲线 10-2 10-4 10 相 位(度 0 0 10 1 10 2 10 3 PHASE PLOT, input # 1 output # 1----测量曲线 — 模型曲线-500-1000-1500 0 10 10 1 频率 10 2 10 frequency(rad/sec 3(b 2 阶模型 图 42 不同阶数模型的 Bode 图 Fig.42 Bode Curves in Different Order Models 8.3 8.3 Y 轴 NC 单元至测速电机参数化模型 8.3.1 8.3.1 差分方程传递函数 式（2）中的系数为：（1）5 阶差分方程传递函数）b1~b10 = [ 0 0 0 0 0 0.0039 0.0025 0.0027 0.0041 0.0091 ] a1~a5 = [-1.8504 0.8120 0.0786 0.1823-0.2040 ] b 系数各项对应的
方差值为：0 0 0 0 0.0011 0.0015 0.0015 0.0015 0.0013； a 系数各项对应的方差值为： 0.0304 0.0668 0.0722 0.0639 0.0261。（2）2 阶差分方程传递函数）b1~b6 = [ 0 0 0 0 0 0.0014 0.0143 ] a1~a2 = [-1.8403 0.8617 ] b 系数各项对应的方差值为：0 0 0 0 0 0.0014 0.0015 a 系数各项对应的方差值为：0.0104 0.0104 8.3.2 8.3.2 零-极点模型 阶零（1）5 阶零-极点模型 式（3）中的系数为：K= 0.0039, 零极点参数见表 8 Table 8 Zero-Pole Parameters of Five Orders Model 表 8 5 阶模型的零极点参数 序号 零点（z）极点（p）1 0.6249 + 1.0771i 0 2 0.62490.7817i 0 5 0.7953 + 0.3312i 6 0.79530.4218i 9 0.9381 极点模型（2）2 阶零-极点模型）z1=-10.2143 p1~p6 = [ 0 0 0 0 0.9202 + 0.1226i 0.9202-0.1226i ] K = 0.0014 3.8.3.3 3.8.3.3 状态方程（1）2 阶模型）
0 T B = [1 0 0 0 0 0] C = [ 0 0 0 0 0 0.0014 ] D=0(2 5 阶模型的状态方程 阶模型的状态方程
0 0.5413 0 0
小结 对所建立的智能加工平台进行各个组成环节动态特性参数的辨识，这些组 成环节包括：NC 单元速度
铝膜分切机伺服张力控制系统 第3篇
【关键词】分切机 铝膜 张力控制 恒张力 张力锥度
引言
高速铝膜分切机对控制系统的响应、控制算法等具有很高的要求。在启动、停止、收卷卷径变化的过程中，需要对张力进行实时地调整和控制，从而确保收卷质量和效率，避免因张力变化造成铝膜断裂、卷材张力不匀、边缘缺陷等问题。本系统采用高响应的伺服系统控制收卷扭矩，通过卷径的测量和实时计算，使收卷轴始终保持恒定的张力。同时，在启动、加减速、停止等阶段采用合适的控制算法，合理控制磁粉制动、输送辊、切刀、收卷轴之间速度和扭矩的关系。
本文主要介绍铝膜分切机的主要结构、控制系统结构、主要原理、关键算法等内容。介绍了张力控制的要求，卷径的计算方法，锥度控制的原理和锥度控制的计算方法，可以作为工程技术人员相关设计的参考。
1 铝膜分切机的简介
铝膜分切机是锂电池生产设备中的关键设备，将整卷铝膜分切成指定宽度的铝膜卷供后道工序使用。 由于铝膜厚度薄，为了保证高收卷质量并且不降低生产效率，我司对于控制系统、控制算法、机械机构都进行了改进和完善，获得了非常理想的生产效果，满足了锂电池生产的工艺要求。
2 铝膜分切机结构
2.1 机械结构图（如图1所示）
2.2 铝膜分切机的工作原理
铝膜经放卷和纠偏机构进入分切机的主体进料辊①。称重辊②将铝膜的实时张力反馈给控制器，控制器控制放卷张力至设定值。输送辊③控制铝膜的线速度和切刀速度。清洁辊④清洁分切过程中产生的杂物。收卷轴⑤和收卷轴⑥是分切后的收卷轴。 同时分切机还配有耳料收集系统和静电消除系统。
3 铝膜分切机控制系统
3.1 分切机控制系统简图（如图2）
3.2 控制系统组成
（1）放卷控制部分：由磁粉制动器、张力控制器、张力传感器、纠偏控制器组成。（2）输送辊控制部分：由变频电机、变频器和DA模块组成。（3）收卷轴控制部分：由主控制器（PLC）、伺服系统、计米器组成。（4）清洁轴控制部分：由清洁轴电机、DA模块组成。（5）纠偏控制。（6）其它气动控制。
4 铝膜分切机各部分控制的原理
4.1 放卷部分控制
放卷张力由磁粉制动器提供扭矩。磁粉制动器在同滑差无关的情况下能够传递一定的扭矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无振动冲击、节约能源等优点。系统通过张力控制器和磁粉放大器控制磁粉制动器的电流，从而控制磁粉制动器输出扭矩。
张力称重辊上的张力传感器反馈当前膜的实际张力到张力控制器，张力控制器通过PID算法调节磁粉制动器的扭矩，实现放卷系统的恒张力和张力稳定性。
4.2 输送辊的控制
输送辊是在分切机中提供铝膜线速度的装置。它由变频电机驱动。PLC通过D/A模块和变频器控制输送辊的速度。变频器采用了矢量控制模式，确保在不同负载条件下的速度稳定性。
变频器控制端模拟量的控制是输送辊速度控制的重要环节。由于铝膜的脆性、纠偏和张力系统的滞后性，需要对实时速度、加减速、定长到停止前低速等进行控制。系统采用如图3所示的控制模块进行速度控制。该模块是通过GX-WORKS软件的模块化功能编写的，其中集成了速度控制的各项控制方法，只需要输入设定转速、电机额定转速、速比、输送辊直径、DA模块最大值、初始速度、加减速速率、启动停止等其它输入信号就可以实现转速控制的各功能。
4.3 收卷轴控制
收卷轴控制是铝膜分切系统中最重要的部分。收卷质量直接影响到产品质量。收卷质量主要缺陷如图4。为了避免以上述缺陷的产生，必须对收卷张力进行有效控制，张力控制可以有效防止下列导致缺陷产生的原因：（1）稳定的传送材料，防止横向滑动、材料和辊子之间的滑动（稳定速度及防止损伤）、波动、缠绕；（2）防止变形；（3）确保尺寸精度；（4）保证收卷质量，防止产生褶皱、偏移、间隙、牢固性。
要实现恒定或者按照一定规律变化的张力控制，就必须通过实时的卷径计算来实现。本系统采用比率演算方式计算卷径，同时应用张力锥度控制的原理控制收卷轴的扭矩。通过伺服系统的高速响应和精确扭矩，配合速度控制和滑擦轴套的滑差，获得了理想的张力控制和收卷精度。
比率演算方式的原理（如图5）。
D=（nd/m）×N （1）
其中，d：进给辊直径；D：收卷当前直径；m：进给辊脉冲/圈；n：收卷轴脉冲/圈。
计算了实时卷径后根据张力计算公式：
张力（F）=扭矩（T）/半径（D/2）；
∴ T=F×（D/2）=F×（nd/m）×N/2
其中，F为设定张力，在控制系统参数中设置。
在实际应用中，要考虑滑差轴的滑差、收卷轴套的初始直径、卷层绕紧程度等因素。本系统采用了分段计算卷径的模式，即系统在指定时间周期和圈数内循环运算当前卷径。避免了由于滑差和厚度造成的卷径计算误差。同时在初始计算时考虑了收卷轴，卷轴套的初始卷径，使得在收卷初期就能获得良好的效果。
张力锥度控制原理。在收卷系统中，随着卷径的增加，使卷料张力逐步减小的控制称为锥度张力控制，锥度控制可使内层收的较紧，外层收的较松，可以使层与层之间不打滑。
张力锥度公式：F实时=F预设×{（1-K）×[1-（D小+D1）/（D实时+D1）]} （2）
其中，D小：卷轴直径；K：锥度；D1：锥度补偿，可设成锥度误差；D实时：实时直径；F预设：设定张力；F实时：实时张力。
张力锥度值可以按照工艺要求设定。也可以通过锥度补偿补偿过程锥度误差。
4.4 收卷轴和输送辊的速度和扭矩匹配
收卷轴和输送辊速度匹配是铝膜分切机中非常重要的环节，本系统采用速度控制、扭矩调节的原理控制分切机的输送辊和收卷轴。速度和扭矩控制共分为以下阶段。
启动阶段：本阶段采用模拟量斜率控制，使用平滑慢加速的斜率启动输送辊至较慢的速度。同时收卷轴伺服系统以稍高于输送辊加速斜率的加速度启动，确保在启动过程中收卷轴处于拉紧状态，但又不至于出现急速绷紧造成膜拉断的情况。收卷轴滑差轴此时处于工作状态。
加速阶段：当收卷套上缠绕几圈铝膜后，可以加速运行。此时收卷轴以高于输送辊的加速斜率加速到运行速度，同时收卷轴实时调整收卷扭矩。
匀速阶段：这个阶段是机器运行时间最长的阶段，也是收卷的主要过程。在此阶段中，输送辊通过变频器的速度矢量控制使输送辊保持恒定的速度。放卷系统通过张力控制保持恒定的放卷张力。纠偏系统通过纠偏控制器使得卷膜边缘定位准确。收卷轴的速度稍快于输送辊，并保持一定速度差，同时通过实时测量卷径和张力锥度计算收卷张力，控制伺服系统的扭矩。边缘废料系统和清洁轴系统按指定程序运作。
定长到减速阶段：当收卷长度接近定长时，系统必须减速，低速运行，定长停止。在这个阶段，输送辊必须以大于收卷轴的斜率减速。定长到后，输送辊停止，收卷轴以低速运行到输送辊完全停止后停止。
停止阶段：在此阶段，输送辊仍会保持张力几秒。放卷磁粉制动器保持制动张力。等运动部件惯性运动惯量完全消除后，收卷轴张力撤除。
结语
随动裁断设备的伺服控制 第4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》.
伺服控制策略 第5篇
摘 要：光电伺服控制软件作为光电稳定平台的重要组成之一，如何进行有效调试是工程技 术人员越来越关注的问题。针对光电伺服控制软件的特点，分析了其在调试过程中存在的用传统 调试方法难以解决的问题。基于这些问题，提出了一种专门针对此种软件调试的顶层方案，论述 了调试工具的功能需求和设计的关键问题，采用模块化编程思想，构建了调试工具的顶层框架。
关键词：光电伺服控制软件；调试工具；框架设计
中图分类号：TP311.56 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）01-0057-04
TheTopFrameworkDesignandApplicationofDebugging ToolforOptoElectronicServoControlSoftware
LIAOHongbo，ZHUWenliang，WANGYonghong，FANDapeng
（NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）
Abstract：Optoelectronicservocontrolsoftware（OESCS）isanimportantcomponentoftheopto electronicstabilizedplatform，engineerspaymoreandmoreattentiontothedebuggingproblem.Thispa perstartsfromtheanalysisofthecharacteristicsofOESCS，theproblemsofOESCSdebuggingprocess whichisdifficulttosolvebyusingtraditionalmethodarestated.Accordingtotheseproblems，thespecial isticdebuggingtoolforOESCSisdesigned.Thefunctiondemandanddesignessentialsarediscussed，and thetopframeworkofdebuggingtoolisconstructedusingthemodularprogrammingidea.
Keywords：optoelectronicservocontrolsoftware；debuggingtool；frameworkdesign
0 引 言
光电稳定平台的目的在于隔离载体扰动，实 现光电探测器视轴稳定和精确瞄准等功能。光电 伺服控制系统作为平台的核心组成之一，它的实 现直接关系到光电稳定平台是否能够正常工 作[1-2]。随着计算机技术的发展，数字伺服控制系 统越来越多地应用于光电伺服控制中。相对于模 拟控制而言，数字控制的硬件结构简单，容易标准化，具有很高的噪声容限，可通过软件实现更为复 杂的控制律[3-5]。数字伺服控制系统是通过软件编 程的方法实现各种控制算法和各项控制功能，从 而形成一套针对目标对象的伺服控制软件，但此 软件从研制开发到形成产品，需要经过反复的调 试、测试和验证过程，需要花费工程技术人员大量 的时间和精力，还不一定取得比较好的效果。因此 为了把工程技术人员从繁重的程序调试工作中解 放出来，同时实现对软件各项功能的测试，需要开 发一种针对此种软件的专用调试工具。
本文从分析光电伺服控制软件调试过程中存 在的问题角度出发，提出解决问题的方案，即设计 一种服务于此种软件调试工作的调试工具。通过对调试工具的功能需求和设计关键问题分析，构 建其顶层结构框架，为调试工具的具体实现提供 软件框架设计方面的依据。
1 光电伺服控制软件调试中的问题分析
1.1 软件特点分析
光电伺服控制系统中的电流环回路，由模拟 控制器实现；位置预定回路、速度控制回路、陀螺 稳定控制回路和跟踪控制回路都由数字控制器实 现。目前，在数字控制器的设计过程中，dSPACE 半实物仿真系统由于实时性、控制器设计和验证 快速性等优异性能，在光电伺服控制系统开发中 得到越来越广泛的应用，已成为光电伺服控制系 统中各控制回路控制器设计和验证必不可少的工 具。然而，光电伺服系统各控制回路的实现是以 DSP（TMS320F2812）主控芯片为硬件基础，在集成 开发环境（CCS）中基于C语言的编程实现的，并 通过调试-修改-调试的过程，形成一套完整的 为光电稳定平台伺服控制服务的软件系统，如图1 所示。
图1中，各控制回路控制器设计和验证是在 dSPACE半实物仿真系统中完成，以各回路控制器 为基础的光电伺服控制各项功能的实现是在DSP 中编程实现的。虽然光电伺服系统所需功能根据 任务需求有所不同，但它们通常都包括以下几个 主要功能：稳像功能，隔离载体扰动对图像的影 响；位置锁定功能，根据控制指令，使平台视轴指 向预定的角度位置；搜索功能，根据控制指令，在 惯性空间内按照设定方式和范围运动并搜索目标； 跟踪功能，让平台自动跟踪目标运动，实现对目标的定位和瞄准；上电自检和故障诊断功能，检测各 传感器工作是否正常，实现对平台信息的初始化， 初步实现对平台常见故障的自诊断；通信功能，实 现平台与上位机或者其他信息节点之间的数据交 换。为了降低编程的复杂性，增加程序的通用性， 采用模块化的编程思想[1-2]，依据各功能需求，对 软件结构进行模块化划分，如图2所示。
1.2 软件调试过程中存在的问题
通过对光电伺服控制软件特点的分析发现， 在光电伺服控制软件的调试过程中存在以下几个 方面亟待解决的问题：
（1）在软件调试过程中，为了检测各传感器 的信号是否正常，需要在不中断程序运行的情况 下对传感器信号进行实时监测。同样，光电伺服控 制系统由于多任务需求，存在多功能工作模式，面 临在不同工作模式之间进行切换的问题，需要在 线修改DSP软件程序中的指定变量，用传统的调 试手段难以得到圆满解决；endprint
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
[7]钱东海，余小鹏.嵌入式运动控制系统中软件的设计 [J].制造业自动化，2007，29（9）.endprint
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
[7]钱东海，余小鹏.嵌入式运动控制系统中软件的设计 [J].制造业自动化，2007，29（9）.endprint
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
伺服系统的迭代学习控制 第6篇
迭代学习控制[2](Iterative Learning Control,ILC)是智能控制中具有严格数学描述的一个分支,它适用于一类具有重复运行特性的被控对象,它能使被控系统的实际输出轨迹零误差地跟踪期望输出轨迹。这种控制方法不依赖于系统的精确数学模型,能以非常简单的方式处理不确定度相当高的非线性强耦合动态系统。目前,迭代学习控制在其学习律、鲁棒性、收敛性、学习速度及工程应用研究上取得了巨大的进展,这为我们将迭代学习控制应用于伺服系统,提高伺服系统性能提供了理论基础。
笔者以永磁同步电机为控制对象[3],将迭代学习控制应用于伺服系统中,采用传统PID控制与迭代学习控制相结合的方法。仿真结果表明,加入迭代学习控制器后,伺服系统的跟踪性能有明显提高。
1永磁同步电机的数学模型
伺服系统是强耦合的非线性系统[4],为了更好的分析伺服系统,应建立永磁同步电机的数学模型。首先对永磁同步电机做如下假设:忽略铁心饱和;不记涡流及磁滞损耗;转子上无阻尼绕阻。(1)
目前对永磁同步电机的控制多采用矢量控制方法,将交流电机模仿为一台直流电机以便于控制。利用坐标变换,建立永磁同步电机在d-q坐标系中的数学模型(设永磁同步电机为隐极式,即Ld=Lq=L)和电磁转矩方程[5]为:
式中Ld———等效d轴电感;
Lq———等效q轴电感;
J———转动惯量;
p———电磁极对数;
R———绕组等效电阻;
ωm———机械角速度;
TL———总负载转矩;
ψr———每对磁极磁通量;
id———d轴电流;
iq———q轴电流;
ud———d轴电压;
uq———q轴电压;
Te———电磁转矩。
在实际应用中,对电机控制多采用id=0控制,因此式(1)、(2)可变形为:
式(3)即为永磁同步电机的id=0控制的状态方程。由式(4)可见,永磁同步电机的电磁转矩仅与iq有关。根据式(3)、(4)可建立电机的基本结构模型(图1),其中Ce=pψr为反电动势系数。
伺服系统的控制一般采用三环结构[6]。从内到外分别为电流环、速度环和位置环。伺服系统要求输出能跟踪输入的变化,工业应用中各环一般都采用传统的PID控制,根据上述模型并整定各环控制参数可验证模型的正确性。笔者通过对一条正弦曲线sin2πt的跟踪情况来测试模型。
图2为利用所建的伺服系统模型在无任何干扰且不带负载情况下的位置环的跟踪性能曲线,可以看出,两条曲线几乎重合,两曲线最大误差约为0.064,各点平均误差约为0.016,可见所建模型是可以满足要求的。
在实际伺服系统运行时常有各种干扰,粘性摩擦干扰[7]就是一种常见的干扰,其模型为:
式中Ff———摩擦力矩;
bc———粘性阻尼系数。
在加入干扰后,位置环的跟踪性能会有所下降,其实际输出与理想输出曲线如图3所示。
由图3可见,在加入粘性摩擦后的位置跟踪性能下降了,两曲线最大相差0.077,而输出的平均误差达到了0.028,可见干扰的加入使位置环输出误差明显增大。但如果在理想输入呈周期性变化的情况下,可加入一个迭代学习控制器,通过几次学习控制来缩小误差。
2迭代学习控制器
2.1迭代学习控制简介
迭代学习控制是智能控制中的一个有严格描述的分支,它是通过实际输出与理想输出的误差来调整控制输入的一种控制方法,理论上可实现轨迹的完全跟踪。
迭代学习控制的特点是“在重复中学习”,通过反复的迭代修正,达到改善控制效果的目的。迭代学习控制的原理是根据系统前次运行所获得的输出误差信息,在控制过程中不断修正控制输入,随着迭代的进行,逐步改进下一次控制输入,以使控制效果越来越好。迭代学习控制仅需要较少的先验知识,对于处理模型未知且具有重复运动性质的系统,是一种行之有效的控制策略。
对于一个线性时不变(LTI)连续受控系统,其状态方程为:
迭代学习控制的基本结构如图4所示。
图4中,在一定时间区间t∈(0,T)内,对系统的输入为u(t)、输出为y(t),系统的期望输出为yd(t),下标k表示迭代运算的次数,每次的输出yk(t)与期望轨迹yd(t)进行比较,所得的误差ek(t)经过迭代学习律得出下次的控制输入uk+1(t)并存入控制存储记忆单元,到下次控制时再调用。每次经过迭代学习律得出的新控制量存入存储器,将上一次的控制量刷新。通过不断地调整控制量来使系统获得最佳的输出量。当系统输出满足迭代学习控制的停止条件后,才能停止迭代学习。在这个控制过程中,系统不但利用了当次控制信息,而且还与之前的控制情况有关,这样控制器可利用的信息就多于一般的反馈控制系统,较多的实时信息更有利于对系统的控制。另外,迭代学习的过程中还要求,经迭代后得到的实际输出应该比前一次的实际输出更接近理想轨迹,即使系统的输出误差逐渐减小。这就是迭代学习控制的收敛性问题,只有迭代学习控制律是收敛的,应用才有意义。
2.2迭代学习控制器的设计
本文设计中在伺服系统的位置环采用开环PD型迭代学习控制+传统PID控制的双重控制器,其结构如图5所示。
控制系统由负反馈和迭代学习前馈部分构成。负反馈部分采用PID控制器,它能提高系统可靠性,通过PID的反馈控制,不仅可以提高系统的初值鲁棒性和抗干扰能力,而且有利于提高迭代学习的收敛速度。与普通控制器不同,在控制系统中加入一存储单元,将每次的输入及输出误差都保存在存储器中,并刷新前次的控制信息,在下次控制时可调用已保存的控制输入并根据迭代学习律做相应的调整后输入系统,以达到通过调整控制输入来使系统精确跟踪理想输出的目的。
PD迭代学习律是较为常见的学习律,其开环迭代学习律表达式为:
式中ek(t)———第k次学习的输出误差。
根据PD型学习律,只要能够找到合适的kp、kd值,就可以使实际输出曲线很好的跟踪到理想输出曲线上。其中kp,kd应满足收敛条件:
3仿真分析
迭代学习控制的仿真模型可以在Simulink软件中实现,把Matlab的工作区(workspace)作为一个存储器[8],存储每次的输出误差,并将每次的控制输入也保存于workspace中。下次迭代时读出上次的误差根据迭代学习律调整控制输入(图6)。采用M文件方式进行仿真,便于将仿真结果进行画图分析。
图6为加入了迭代学习控制器的伺服系统仿真模型,三环系统外环为位置环,采用开环PD型迭代学习控制+传统PID控制双重控制,迭代学习参数选取kp=20,kd=3.2;中间环为速度环,采用PID控制器;最内环为电流环,采用PID控制。其中速度环加入了粘性摩擦模型,仿真结果如图7所示。
图7a为PID控制所输出的波形,由于粘性摩擦模型等因素的影响,输出跟踪曲线有一定滞后。而经过20次迭代学习后的波形基本与理想输出曲线重合,图7b为经过迭代学习后的效果。
通过Matlab的画图功能,分别画出实际输出与理想输出波形各点误差的最大值以及各点误差的平均值(图8、9),这样便于判断迭代学习的控制效果。
通过分析图8、9可以看出,理想输出与实际输出的误差经过迭代学习都呈减小的趋势,理想曲线与实际曲线误差最大值经过迭代学习从0.078下降到了0.035左右,而两条曲线每次迭代输出误差的平均值也由0.028下降到了0.008左右,可见经过迭代学习伺服系统的误差明显减小。图中还可看出,大约经过5次迭代学习后,对系统的控制就可以达到比较好的效果,第5次以后的误差也都能收敛在一个比较小的范围内,可见迭代学习控制能起到快速缩小误差的作用。
4结束语
针对伺服系统,设计了迭代学习控制器。仿真结果表明,通过对一理想输入的多次迭代学习,可以有效地减小伺服系统输出误差,提高了跟踪性能。可见伺服系统中可采用迭代学习的控制思想,使系统达到良好的控制效果。
在实际应用中,高性能处理器的发展有助于迭代学习控制算法的应用。如可采用DSP处理器完成迭代学习控制器的设计,在每次迭代学习时,将经过调整的控制量存入寄存器,当满足输出要求后可以停止迭代学习,反复使用修正过的控制量对系统进行控制。
迭代学习控制的原理简单,实现起来也比较容易,但其目前只适用于机器人、伺服系统、数控车床等一类有重复运动性质的系统中,鉴于这种局限性,迭代学习控制更广泛的应用有待进一步研究。
参考文献
[1]钱平.伺服系统[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]于少娟,齐向东,吴聚华.迭代学习控制理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]刘军,王洋,黄盟芝.基于滑模控制的混沌系统在永磁同步电机中的应用研究[J].化工自动化及仪表,2009,36(1):75～78.
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交流伺服驱动系统动态建模及控制 第7篇
伺服驱动系统研究的主要内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、伺服参数检测及控制等方面的理论和技术问题。新一代超大口径射电望远镜工程FAST (five-hundred meter aperture spherical radio telescope) 是一种典型的机电一体化系统, 以交流伺服电机驱动柔索并联机构做高精度空间扫描运动[1,2]。在电驱动柔索并联机构系统中, 伺服驱动系统是其重要组成部分, 另外, 该伺服驱动机构本身也是一个完整的机电一体化系统, 因此, 进行完整系统动态性能分析, 也应该考虑伺服驱动系统的动力学[3]。
近年来, 模糊滑模控制 (FSMC) 的研究引起科技工作者的广泛兴趣[4,5]。滑模控制是一种公认的鲁棒控制方法, 系统的动特性可以通过滑模设计来预先设定, 无论是线性系统还是非线性系统, 滑模控制都显示出良好的控制特性。但实际控制中, 滑模控制的抖动和高增益控制仍然限制着滑模控制的实际应用。模糊逻辑控制本质上是一种非线性控制, 研究结果充分显示了模糊控制系统的强稳定性和鲁棒性[6]。由模糊逻辑控制与滑模变结构控制结合而成的模糊滑模控制融两者优点于一身, 将模糊控制融入到滑模控制中能够有效削弱其颤动。因此, 近年来, 模糊滑模控制理论与方法在电力驱动控制领域倍受青睐[7]。基于以上分析, 本文在建立交流伺服驱动系统动态模型的基础上, 设计了一种模糊滑模控制方法, 把滑模控制和模糊控制结合起来, 不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性, 而且能够有效地削弱滑模控制的颤动。
1 交流伺服驱动系统动态建模
由交流伺服电机驱动的 FAST柔索并联机构的执行机构主要包括交流伺服电机、联轴器、减速器、制动器和卷筒机等。交流伺服电机实质上是一个两相感应电动机[8], 由定子和转子两部分组成。
交流伺服电机的输出经弹性联轴器连接至减速器 (两级摆线轮减速器) 的输入轴, 而减速器的输出轴则通过十字滑块联轴器与卷筒机相连。由于机器在运行过程中的意外掉电有可能造成安全伤害等事故, 故在减速器的输入端安装电磁制动器, 它可在掉电时自动锁死整个机械系统, 避免意外事故的发生。所有这些部件都通过底架连接起来, 而底架则固定到地基上。在建立这类机械系统的数学模型时, 往往需要采用折算的方法, 将复杂的传动系统加以等效简化。因此, 该交流伺服驱动系统的简化等效模型如图1所示。另外, 摩擦现象不可避免地存在于相互接触的运动系统中, 摩擦力因其高度非线性和复杂性将导致位置误差、极限环、爬行等不良现象的发生, 大大地降低控制系统的性能[9]。因此, 下面在考虑摩擦非线性环节和弹性振动等干扰的情况下来建立该机构的动态模型。
交流伺服电动机的动态方程为
式中, Jm为电机转子的转动惯量;fm为电机及负载折算到电机轴上的的等效黏性摩擦因数;θm为电动机轴的角位移;Ku、Kω均为正常数;UC为控制电压。
设伺服机构的减速装置的传动比为n, 即
式中, ωa、ωb分别为减速装置输入轴a和输出轴b的角速度;θ为输出轴b的角位移;Ma、Mb分别为减速装置输入轴a和输出轴b的转矩。
则减速器的运动方程式为
θ=θm/n (3)
当不考虑电动机的能量损失时, 根据刚体的转动定律, 得该系统的动态转距平衡方程为
Jn=Jm+Jr+Jf+Jg
式中, Mm为电动机的电磁转距;Jr为减速装置等效到轴a上的转动惯量;Jf为飞轮的转动惯量;Jg为卷筒机的转动惯量。
考虑到静摩擦力和弹性振动等未建模动态干扰的情况下, 将式 (1) 、式 (3) 和式 (4) 组合得到该伺服驱动系统的动力学方程为
(5)
式中, w为包含静摩擦力和弹性振动等未建模动态干扰。
根据式 (5) 可以列写以交流伺服电机的控制电压UC为输入量和以输出轴b的角位移θ为输出量的运动方程式:
根据FAST 50m缩比模型的工程设计 (图2) , 柔索并联机构伺服驱动系统选用的是Panasonic MINAS A系列伺服电机和驱动器, 交流伺服电机的型号为MHMA 502 (大惯量) , 增量式编码器 (11线 2500P/R) , 驱动器型号为MHDA 503, 减速器选用两级摆线轮减速器, 型号为XWE5.5-85, 减速比为187。相关技术参数选为:电机的额定功率、额定转矩和额定转速分别为5kW、23.8N·m和2000r/min;电动机转矩常数Ku和阻尼系数Kω分别选为0.25N·m/V和0.79N·m/ (rad/s) ;折算到电机轴上的等效黏性摩擦因数fm选为0.06N·m/ (rad/s) 。等效电机惯量 (不带制动器) 为0.017kg·m2, 减速装置、飞轮和卷筒机的等效转动惯量分别为0.023kg·m2、0.051kg·m2和0.095kg·m2。
考虑到静摩擦力和弹性振动等未建模动态干扰的影响, 将式 (6) 转化成状态方程为
(7)
式中,
2 模糊滑模控制器的设计
2.1滑模控制器的设计
滑模控制具有快速性、强鲁棒性及易于工程实现等特点, 但常规滑模控制存在较大的高频颤动, 这种高频颤动可能会把系统中存在的未建模高频成分激励起来, 从而引起很大干扰, 甚至使系统不稳定。另外, 系统的变结构控制在到达滑模面之前并不具有期望的鲁棒特性。采用指数趋近律
来有效地抑制高频颤动, 必须取较小的ε, 而较小的ε又影响系统的快速性;增大k可以加速趋近速度, 但又要求系统有较大的控制强度。为了解决这一问题, 本文通过判断S的大小来选择不同的控制规律, 使系统既具有快速性又能有效地抑制颤动。
由式 (7) 可以定义偏差:
e=x*1-x1=yd-y (9)
选取切换函数为
式中, c为常数。
采用控制方法[10]
(12)
式中, S0为滑模带宽度的阈值;u1为指数趋近律控制;u2为模糊滑模控制, c>0且按常规滑模设计方法选择。
当S大于阈值时, 采用指数控制趋近的方法, 目的是加快启动时的系统响应;当S小于阈值时, 采用模糊滑模控制, 目的是保持滑模鲁棒性的同时又能有效地抑制高频颤动。
(1) 当u=u1时, 根据指数控制规律, 再由式 (11) 得
控制律化简为
(2) 当u=u2时, 计算模糊滑模控制规律。根据广义滑模条件
即
由滑模等效控制条件
根据滑模控制的基本理论, 控制律取如下结构
u=ueq+us (18)
式中, us为切换控制。
本文应用模糊逻辑推理来逼近滑模切换控制us。
2.2模糊控制器的设计
从滑模的基本理论可知, 相平面上任意一点的S和
根据专家经验法设计模糊控制的推理规则, 其物理意义是根据状态点的运动轨迹到滑模面的距离大小S和
3 计算实例
为了证明上述动态模型的正确性及模糊滑模控制算法的有效性, 下面以FAST 50m缩比模型柔索支撑系统交流伺服驱动机构为仿真对象。在相同给定参数和负载扰动下与常规滑模控制器作对比研究。为简便起见, 仿真过程中的静摩擦力和弹性振动等未建模动态干扰设为幅值为0.2的随机信号, 而输入的指令信号是频率为2Hz的正弦信号:
yd=0.5sin 4πt (19)
图3～图6分别给出了基于常规滑模控制和模糊滑模控制跟踪正弦信号位置、误差曲线;而图7和图8分别给出了常规滑模控制与模糊滑模控制的切换轨迹。模糊滑模控制参数选取如下:采样周期Ts=0.01s, Ke=46, Kc=3.0, Ku=1.7, c=6, k=11, ε=0.6, S0=3.2。
图3～图6可见, 常规滑模控制与模糊滑模控制相比, 模糊滑模控制对系统干扰具有较好的抑制作用且发挥了模糊滑模控制鲁棒性强、动态响应快、超调量小的特点, 因此能较好地跟踪期望信号。图7和图8则表明模糊滑模控制与常规滑模控制相比, 能够有效地削弱常规滑模控制所固有的高频颤动现象, 从而保证了系统的稳态精度。
4 结语
(1) 基于等效简化的电路模型, 并考虑摩擦非线性环节和弹性振动等干扰的情况下建立了交流伺服驱动系统的动态模型。
(2) 针对交流伺服驱动系统, 设计了一种模糊滑模控制算法, 这种方法通过分阶段的加入指数趋近控制来加快系统响应, 同时利用模糊逻辑控制器来实时调整滑模控制的趋近律参数。因此, 该方法不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性, 而且能够有效地削弱颤动。
(3) 以FAST 50m缩比模型柔索支撑系统交 () ()
流伺服驱动机构为实例计算对象进行数值仿真, 结果表明这种控制方法能够获得良好的控制精度和较强的鲁棒性。
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一种焊接伺服控制单元的设计 第8篇
1 伺服单元结构设计
本次设计中, 弧焊机械手臂使用已有的德国库卡某型产品。该手臂伸长范围无法满足该公司产品升级的使用要求, 伺服单元的机械结构要满足360度旋转和高度正负35厘米的可变位。因此, 机械部分设计时采用工作台旋转和工作台倾斜分别满足上述使用要求。图1所示为伺服单元机械部分示意图。
旋转机构中采用交流伺服电机正反转实现机构旋转, 传动中设置自锁装置便于定位。为减小轮系传动误差, 尽量缩短传动链, 采用一组齿轮齿圈。旋转主轴设计为转动心轴, 便于装配中定心。高度变化则采用工作台俯仰的方式实现:由伺服电机驱动扇形齿条。齿条的扇形角度、齿数及模数由工作台传动比及高度可变幅度决定, 同时, 该部分传动链中也设置自锁机构。
(1) 工作台倾斜主轴 (2) 工作台旋转主轴 (3) 工作台 (4) 工作台旋转电机 (5) 倾斜主轴光电编码器 (6) 旋转主轴光电编码器 (7) 旋转驱动电机 (8) 扇形齿条。
2 控制策略
制造工艺要求弧焊机械手臂在旋转和高度空间内以恒速移动且能任意定位, 因此就要对伺服电机实施位置及速度控制。控制过程中, 为了降低因齿轮间隙和装配造成的误差对传动精度的影响, 将编码器以刚性连接的形式安装在两个主轴上, 同时以工控机为核心, 形成全闭环控制系统, 有效提高了控制精度。
3 智能混合控制算法
数控焊接伺服单元可以绕轴实现旋转和俯仰运动。两种运动均通过交流电机驱动齿轮轮系进而带动工作台实现运动的。在运动中, 由于制造和装配等误差, 齿轮间隙造成的失动无法从根源上消除, 易造成指令位移和实际位移的非线性关系。而且工作台在仰俯运动中, 焊接机械手臂和工作台的重心在不断调整, 电机输出转矩亦时时变化, 使得工作台的控制也呈现非线性。另外, 交流电机本身是一个参数时变、高阶次的非线性物体。综上, 在此控制系统中, 动力源及其传动系统均存在严重非线性关系, 传统的数学模型很难对其准确描述。传统的模糊控制尽管结构简单, 性能很好, 但是一旦确定控制表, 控制规则便固化下来。对于不同的控制对象, 此类以不变控制规则控制时变对象的方法就存在严重的局限性。
改进后的模糊控制算法是在基本模糊控制算法基础上, 加入智能积分及多个修正因子, 量化因子及比例因子的自调整结构。
引入智能积分的基本条件可表述如下:在本次采样时的误差和误差变化具有相同符号时, 对误差进行积分;相反符号时, 则不积分。引入智能积分后的模糊控制规见式1:
其中, 为提高系统的稳定性, 引入ΣEi积分项, β∈ (0, 1) 为积分项的加权系数, 随误差变化而改变。加入修正系数以后的控制量U2 (k) 见公式2:
改进后的模糊控制算法在加入积分和修正系数后, 稳态性能有了极大改善, 同时在误差较大时控制效果很好。但是, 当误差在极小范围内时, 易产生振荡, 精确定位较难, 控制效果不如PID。本文结合两者的优点, 一方面采用上述模糊控制算法, 另一方面采用PID控制算法。
控制过程中, 采用模糊PID (Fuzzy-PID) 型的变结构控制。对于确定的系统, 选取适当的切换点可以较好解决变结构控制。但在实际应用中, 切换点的选取并不是很准确, 而且不同的控制器在不同误差域均有一定的效果, 区别仅仅是控制性能而已。为此, 本文采用基于模糊规则和PID规则的加权合成算法。
在上述算法中, 讲误差按照从小到大依次分为七个等级, E={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}分别是。当误差极小时, 由PID (简称A控制器) 完全控制;误差较小时, A的作用强一些, 模糊控制器 (简称B控制器) 弱一些;照此依次类推, 当误差很大时, 则由B完全控制。由此可知, 总的控制是由A和B两个控制器按照加权合成的办法得到, 其数学表达式由正态函数演变而来, 表达式见式3:
将函数在误差域内离散化, 取, 得到如表1所示的A、B两控制器在误差域内的加权系数。因此, 系统的总体控制就有PID控制器和改进的模糊控制器共同作用, 其作用效果见公式4:
4 仿真与实验
4.1计算机仿真
为了验证本算法的实际控制效果, 本文进行了计算机阶跃相应的仿真, 为便于对比, 文中讲常规模糊控制、PID控制及改进的算法三者进行了比较, 比较效果见图4:
从图4可以看出:PID算法的超调量较大, 调整时间也较长。实际应用中表现出响应无法真实表达指令要求, 控制精度较低。模糊控制算法的响应速度比PID算法要快, 但是稳态精度不高。综上而言:智能混合算法超调量小, 稳态精度高, 控制效果良好。
5 结论
(1) 本文针对弧焊机械手臂的运用, 设计了一套伺服控制机构。该机构的运用, 极大的提高了机械手臂的使用范围。
(2) 针对机械手臂焊接定位精度较高的问题, 研究了伺服控制机构的控制算法问题。在分析模糊控制算法和传统PID算法的优势后, 提出了一种基于这两种算法的混合算法, 混合算法整合了两种算法的优点, 提高了伺服系统的相应速度和控制精度。
(3) 计算机仿真和实际验证表明:该系统的设计合理, 控制算法响应速度快, 精度高, 在较好的实际应用价值。
摘要：在分析模糊控制和传统PID控制基础上提出一种智能混合控制算法来提高控制精度, 并设计一种能与现有焊接机械手臂配合的伺服控制单元。计算机仿真和实验证明:基于该算法的控制单元误差小, 精度高, 在实践中应用价值较高。
关键词：伺服控制系统,智能混合算法,柔性焊接
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伺服控制策略 第9篇
CAN即控制器局域网,是一种多主总线,被公认为最有前途的现场总线之一［1］。CAN协议一个最大特点是废除了传统的站地址编码,取而代之的是对通信数据块进行编码［2］。CANopen是CAN网络的一种应用层协议,是开放的、标准化的高层协议,是目前应用最广泛的嵌入式网络。CANopen建立在CAN的数据链路层之上,除了对应层规范( DS 301) 进行定义外,CANopen还专门为不同的接口设备应用子协议定义了行规( DSP4) ,其中Ci A 402是针对驱动装置和运动控制装置的设备规范。本文正是针对CANopen在伺服上的运用展开的。
1 CANopen协议简析
CANopen协议包括对象字典( Object Dictionary,OD) 、通信模型和设备模型三大部分,设备对象字典是中心概念［3］253。
1. 1设备模型
CANopen设备如图1所示,可以视作为一个抽象设备,一边接CAN总线,另一边接应用设备的I/O数据端口。应用部分设备制造商已经提供了相关设备规范。为了访问CANopen设备的对象字典,必须实现CANopen协议栈的相关功能［3］260。
1. 2对象字典
每个设备都拥有一个对象字典,对象字典提供了完全访问应用程序的途径,提供了设备使用的所有数据类型、通信参数、应用数据和参数配置。对象字典中常用索引: 1000 - 1FFF,对应的对象为通讯子协议区域( 如设备类型,错误寄存器,支持的PDO数量) ; 索引: 6000 - 9FFF,对应的对象为标准设备子协议区域( 例如“DSP - 402运动控制装置的设备规范”中的控制字、速度、位置等) 。
1. 3 CANopen通讯模型
CANopen通讯模型定义了4种通讯对象: 管理消息、服务数据对象、过程数据对象、预定义的消息或者特殊功能对象［4］。值得注意的是对象字典中对象的访问是使用对象字典索引和子索引,通讯对象或者消息的访问是通过COB - ID。COB - ID本质上还是标识符( CAN - ID) ,它只是被规划了特殊的含义。
1. 3. 1服务数据对象( Service Data Object,SDO)
SDO用来访问一个设备的对象字典。访问者被称作客户( client) ,被访问且提供所请求的设备称作服务器( Server) 。SDO是以Server的角度去理解的,从服务器上获得数据叫做上传,往服务器上写数据叫做下载。SDO主要用于一些实时性要求不高的数据,一般用来配置和获得节点的参数。
1. 3. 2过程数据对象( Process Data Object,PDO)
PDO用来传输实时数据,每个PDO在对象字典中用PDO通讯参数和PDO映射参数这2个对象描述。
通俗的讲,PDO只是一个载体,它里面装载什么对象是可以配置的,这些都是由PDO映射来完成。PDO映射用来把指定的对象字典装进PDO,或者从接收的PDO中将数据放到配置的对象中。
PDO分为TPDO和RPDO,但都是针对从站来说的。TPDO: 主站←从站; RPDO: 主站→从站。
1. 3. 3管理消息( Network Management,NMT)
管理消息包括Boot - up消息,Heartbeat协议以及NMT［3］254。
CANopen状态机定义了初始化状态,就绪状态,运行状态和停止状态。上电后每个CANopen节点处于初始化状态,然后自动转入就绪状态,并发出Boot-up消息通知NMT主节点已经到就绪状态。在就绪状态SDO传输是允许的。主节点发送NMT消息启动从节点后,从节点就可以传输和发送PDO了。在停止状态,除了NMT消息外不允许传输和接收其他消息。
2 CANopen协议在伺服控制中的实现
实验平台由上位机,USBCAN - 2A,Accelnet伺服驱动器,伺服电机构成,如图2所示。
上位机和CAN卡构成CANopen主站,负责整个网路的监控和管理,监控伺服系统的运行状态,并将上位机运动规划之后的运动参数发送给伺服。伺服系统构成从站,从站主要是执行主站发来的数据信息,并将必要的运动参数返回给主站进行相关的运动决策。
2. 1实现方法
主站开发环境选用VC6. 0,主要实现两部分内容: 1) 实现CAN的数据通信; 2 ) 实现CANopen数据帧的解析。前者的实现主要是调用USBCAN - 2A的接口函数库,先打开CAN设备,然后对设备进行初始化,之后启动CAN卡,最后进行数据发送和接收,函数调用流程如图3所示。
后者的实现主要是对CAN数据帧的解析,这里的数据帧主要就是CANopen通讯模型定义的4种通讯对象。
对象字典中每个对象采用一个16位的索引值来寻址,为了允许访问数据结构中的单个元素,同时定义了一个8位的子索引［3］253。对象字典可用SDO直接进行读写,也可以配置到PDO映射中进行读写。
图4为SDO的使用方法。以上传和下载伺服控制器中参数目标速度为例,对象字典索引为60FF,子索引为00,大小为4字节,值为0x3E8。对应的SDO操作信息如图4所示。
返回的SDO命令字为80时为错误,具体的错误内容可参见SDO错误码。加速传送机制,最多传送4字节数据。大于4字节接着的数据都运用分段传送结构为SDO命令字+ 最多7字节数据［5］,多个分段只由1个确认报文应答以增加总线吞吐量。
图5为Copley伺服驱动器PDO配置方法。通讯参数和映射内容为预定义,可以用SDO进行读取验证,配置RPDO映射与TPDO类似,以TPDO2,Node - ID等于2为例,配置TPDO步骤如图5所示。
实际运用当中,PDO传输类型常用的是:
( 1) 同步传输: 在收到一个或者多个SYNC消息后触发PDO发送［6］。
( 2) 定时发送: 有别于SYNC,它是节点本身定时发送,通过设置通讯参数eventtime来实现。但是,并不是所有设备都支持这项服务。
( 3) 事件触发: 当节点的某个时间发生触发的一次数据发送,该方式是实时性最好的一种传输方式。
2. 2实现过程
实验中以伺服的两种位置模式为例,验证CANopen协议在伺服上的运用。上位机以SDO方式发送运动参数,启动远程节点,配置控制字来启动停止,控制界面在运动过程中定周期地发送SDO查询实时位置,速度和电流等。若使用PDO方式,必须先启动远程节点,并设置相关通讯参数。伺服调试的控制界面如图6所示。
离散位置模式经过计算设定的参数是: 梯形模式,目标位置: 36 000 Counts,配置最大速度: 3 000 r / min,最大加速度: 1 000 r / s2,最大减速度: 500 r/s2。通过实验发现数据传输正确,伺服有较好的响应。实验数据如图7所示,图中1表示目标位置,2表示配置的速度曲线,3表示实时速度曲线,4线表示实时位置。
为观测伺服对CANopen协议的动态响应,又实验了连续位置模式,通过计算设定的参数是: 梯形模式,起始最大加速度:1 000 r / s2。最大速度: 3 000 r/min。第二段最大加速度为333. 33 r / s2。最大速度: 4 000 r/min。最大减速度: 1 333. 33 r/s2。最终位置124 633 Counts。实验结果如图8所示,曲线颜色分配同上。 通过实验发现数据传送无误,伺服能按照计算的模式进行运动。 最终位置由于上位机定时器的不精确有少量的偏差。
3结束语
CANopen面向对象的设计思想,协议公开透明,便于理解和开发的优点,在多轴运动控制上是一种高效的数据传输方法。
本文利用CANopen协议实现了由上位机和USBCAN - 2A组成的主站与从站数字伺服之间的数据通讯,通过实例验证了CANopen协议在伺服控制上的可行性和较高的可靠性。同时,通过具体的实验和系统调试为基于CANopen协议多电机运动控制的实现奠定了理论和实践基础。
摘要：结合实际运用对CAN总线应用层协议CANopen进行了介绍;对CANopen相关参数配置进行了分析;对CANopen主从站节点的功能与设置进行了研究。以数字伺服为从站,上位机和USBCAN卡为主站。通过调用USBCAN接口卡中的函数库,实现了上位机与数字伺服之间的通信,并在实际运用中实现了基于CANopen协议的数字伺服控制。结果表明CANopen很大地增强了CAN网络的可配置性,在运动控制上的可行性和较高的可靠性。
伺服控制策略 第10篇
摘 要：凸轮曲线：模拟机械凸轮，将负载轴预期的运动轨迹，控制伺服电机以电子曲线的方式实现。
急动度特性：在机械原理的凸轮机构里接触过，叫“跃度”，定义是“加速度对时间的导数”。主要是选择凸轮机构中，推杆运动规律的，当加速度突变时，跃度无穷大，对推杆有柔性冲击。
关键词：凸轮曲线；伺服电机；制药机械；应用
中图分类号： TH 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-181-2
0 引言
伺服电机以其很高的傳动效率和极高的控制精度受到工控行业的青睐。无论是速度控制、转矩控制还是位置控制，伺服电机都表现出了无可超越的优势。同时，凸轮曲线的应用，使得控制方式和应用场合更加广泛和自如。
在制药行业，随着新版GMP的推出，药厂对针剂灌装精度和灌装质量要求极其严格，无疑制药设备制造商只有提高自己技术优势，才能搏得药厂的芳心。我厂生产的灌装设备，采用全伺服控制，一台灌装机通常同步伺服轴从12到20根轴不等。这些伺服轴之间就是通过与虚拟主轴同步加凸轮曲线实现各个轴之间有条不紊的协同工作。为了提高灌装质量，就要让泵有尽量长的时间用于灌装，为此控制灌装泵滑阀发切换时间就要被压缩。这需要滑阀电机在极短的时间内移动一定的距离。由于时间太短，这使得原来的多项式5级曲线，瞬时产生极大的加速度及极大的减速度，经常出现电机随误差报警，同时还伴有很大的噪声。怎样解决这问题并找到最合适的曲线及参数呢？这需要从分析曲线开始（图1）。
从静止到静止的运动有7种运动曲线规则可选则：直线、二次抛物线、简单的正弦曲线、多项式5级曲线、斜正弦曲线、梯形加速曲线和修正正弦曲线。说道曲线必须要提到几个关键参数：①速度特性值（Cv=最大速度f′（z）），|Cv|越小，由于静态负载（弹簧力，重力，净力）原因，需要的驱动扭矩越小；②加速特性值（Ca=最大加速度f″（z））， |Ca|越小，负载越小；③急动度特性参数（Cj=最大急动度值f?（z）），|Cj|越小，倾向更小的震动激励。那每种曲线有什么特性呢？直线因冲击造成震动、噪音和磨损通常不使用；二次抛物线会因突然加速，会造成震动、噪音和磨损，而且要求运动线路有更强的弹性，也是通常不推荐使用的曲线；梯形加速曲线，其优点很明显特别低的加速度最大值（Ca值），更低的惯性力，但其缺点也很明显其急动度特性参数比斜正弦曲线的急动度特性参数大的多，当加速度突变是会导致跃度无穷大，产生柔性冲击，是震动激励源，这也是不常推荐的曲线。其他四种曲线也会有自己的缺点，但其优点也是明显的，下面我们通过曲线来逐一分析。
（这里使用的是博世力士乐的IndraWorks Engineering软件里Cam（凸轮）曲线软件。）
1 简单的正弦曲线
关键参数值Vmax/Cv=471.2361；Amax/Ca=4.9348；Jmax/Cj=-3.1006；简单的正弦曲线虽然从曲线上看各参数的绝对值都不大，但是加速度（绿色曲线）从一开始从0突变到4.9348，突然加速会造成振动、噪声和磨损。不利于机械系统的稳定。
2 多项式5级曲线
关键参数值Vmax/Cv=562.4946；Amax/Ca=5.7735；Jmax/Cj=-12；多项式5级曲线从曲线上一眼就看到速度的最大值Vmax/Cv 的值太大（蓝色曲线），这对电机的扭矩需求比较大，意思是说在电机转速较高的情况下还要要求电机输出较高的扭矩。这种情况需要机械工程师在选择电机的时候就要考虑的电机的参数，扭矩输出越大，成本越高。
3 斜正弦曲线
关键参数值Vmax/Cv=425.5308；Amax/Ca=7.3854；Jmax/Cj=--743.9604；
斜正弦曲线从曲线参数上看Jmax/Cj （粉色曲线）绝对值太大，就是说跃度太大，在凸轮系统中会产生很大的柔性冲击，系统更容易产生振动。
4 修正正弦曲线
关键参数值Vmax/Cv=527.8768；Amax/Ca=5.5279；Jmax/Cj=-13.8933；修正正弦曲线从该曲线参数上看相对前面3条曲线各指标都相对中和，也没有明显的缺点，首选这个修正正弦曲线。
电机的曲线从原来的多项式5级曲线改成修正正弦曲线后，跟随误差频率减少。但仍然有电机过冲现象，过冲现象是由于减速度太大，电机输出的扭矩不能够在规定的时间内将速度减到0，因此电机的实际停车位置会超过理论停机位置。解决这个问题有2个方法：①减小减速度；②增加电机输出扭矩； 电机输出扭矩是和选择的电机有关，一旦电机选择好了，输出扭矩的最大值和额定值就是定的了。在我们的这个案例里面，我们是可以通过优化曲线来使得用小电机完成大任务成为可能。简单的想，只有让减速时间长一点，就可以减小减速度的绝对值，这样需要尝试提前速度的拐点，也就是说让加速段的时间缩短，从而让减速段有更多的时间，以达到减小减速度的目的，多次反复试验后，加速度的拐点从0.5修改成0.3，更改速度拐点后的曲线为：
从图中绿色的加速度/减速度曲线可以看出，在运动减速时的减速度由原来的5.527mm/sec2降到现在3.962 mm/sec2 ，实际测试后过冲现象明显减小，在跟随误差范围内，系统会自动调整回来，可以接受。
曲线经过这样修改后，现场经过三个多月的整机测试后，证实跟随误差报警不再出现；滑阀切换瞬间的噪声也明显减小；电机过冲现象也不明显了。达到了满意的测试结果。
这个简单的案例说明，当机械工程师在选择电机的时候，除了考虑安装尺寸、电机的转速、输出扭矩，以及系统转动惯量与电机转动惯量匹配（优化比在3-7之间）以外，需要将控制曲线根据实际的控制参数吧曲线建立起来通过分析曲线来验证所选择的电机是否合适。
参 考 文 献
[1] Harold A Rothbart. Cam Design Handbook.2003（10）.
[2] 罗天洪，张剑，陈才，马翔宇.重载机械臂对未知载荷参数的补偿控制[J].机械设计与制造，2016（05）.
卫星天线伺服控制系统研究 第11篇
1.1 卫星天线伺服系统的工作原理
在进行卫星天线伺服系统设计过程中, 要按照星载计算机预先设定的天线转向命令, 来使两个方向天线转向设定的位置, 从而进行数据传输任务。其卫星天线系统常用频段主要有C、Ku、Ka等。而卫星电视广播常选择C频段。Ka频段主要是向客户提供千兆比特级的数字传输、高速的卫星通信、高清数字电视以及一些个人通信业务。以Ku频段的机载卫星天线伺服控制系统为例, 它可以高精度的快速、准确的实现对目标卫星的校正, 构建安全、稳定的持续信号输出链路, 以实现通信服务。天线平台和伺服平台是双系统的两种平台体制, 后者具有两个不同的正交自由的天线座, 分别是俯仰天线座和方位天线座。与单平台的设计方案相比, 上述结构的设计不仅可以有效提高伺服系统的带宽范围, 而且还能够在一定程度上提升系统的谐振效率。卫星天线伺服系统主要由以下几部分组成, 分别是伺服电动机、限位开关、角度传感器、伺服控制器、测速电动机、PWM伺服控制驱动器、减速器等。在伺服控制器系统中, 俯仰和方位以对星开始, 根据GPS数据来对计算机和卫星实现控制, 并实时监测天线载机的飞行状态, 以准确的得出俯仰的角度、天线的方位等信息, 通过坐标换算可以得到相应的载体坐标系角度, 最后借助一定的手段进行方位闭环的调整, 可以使天线准确对准卫星, 从而有效的实现卫星通信。
1.2 伺服电机的特点
伺服电机属于卫星天线伺服控制系统中比较重要的组成部分, 其一般是根据预先设定好的程序进来控制机械的转动。伺服电机一般是通过将输入电压转化为矩和速度, 从而控制着天线的正常转动。伺服电机性能的好坏将会直接决定卫星天线伺服控制系统的整体性能和稳定性, 以及卫星的响应速度等功能。在卫星天线伺服控制系统中, 伺服电机通常会选用交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机等。其中直流伺服电机具有噪音小、运行平稳等特点, 但是机械中的交流电机转子具有较大的损耗和阻抗, 而且工作效率比较低。与相同容量的直流伺服电机进行对比发现, 交流伺服电机具有相对比较大的重量和体积, 在一定程度上影响其工作效率。综上可以归纳出直流伺服电机具有过载能力大、低速力矩大、转动惯量小、波动小、体积小、调速范围宽、运行稳定、噪音小、效率高、可控变压范围大、频率可调。此类直流电机可应用于绝大多数的卫星系统中, 适用于要求严苛的环境。
2 卫星天线伺服系统
2.1 卫星天线伺服系统数学模型建立原则
卫星天线伺服控制系统是非线性系统, 具有强耦合、多变量且内部关系复杂等特点, 借助一定的手段构建一个合理的数学模型不仅可以对系统的运动规律和内部变量间的相互关系进行详细的刻画, 而且还能够通过模型来对其系统动态特性进行细致地了解和掌握, 从而为后续工作的开展奠定良好的基础。方位环路一般是由位置环路和速度环路两部分组成, 其中位置环处于外环, 速度环为内置环。速度环的方位校正、速度的调节一般是由PWM功放中集成的模拟控制器来控制和进行的, 位置环的控制通常是由预先设计好的控制器进行控制的。位置伺服环路在控制系统中位置环为外环, 速度环为内环, 这样一来就组成了一个相对封闭的双闭环系统, 其不仅可以有效地发挥内环的性能, 而且还能具备良好的抗干扰性和随动性, 以确保外环能够实现快速性和定位的准确性。
2.2 伺服控制系统主程序的设计流程图
卫星天线伺服控制系统要想稳定运行, 需要保证主程序系统的各功能模块有机地结合在一起, 成为一个强大的集通信、定位、传输、视频于一身的庞大卫星系统。伺服控制系统主要流程程序如图1所示:
首先系统通过初始化载入一些数据, 然后进行方位和俯仰参数的清零, 然后工作模式, 选择合适的工作路径来针对不同的客户需求。当收到退出指令时则需要判断是否还要进行下一步, 如果是则返回, 保存设置好的参数。反之, 则需要再次存储参数载入, 然后采集轴角以及俯仰的角度和调速, 经过计算机控制、处理后的数据传送给串口, 最后由D/A输出最终的通信, 为客户和指定人群以及车载等带去交流、定位、传输的日常需求。
3 结束语
对卫星天线伺服系统结构和原理进行科学分析, 且对系统的各个相关元器件进行详细的描述, 做出双闭环位置回路的数学模型, 实现系统全方位的分析, 使得系统达到最优的通信质量。
参考文献
[1]张杰超.基于PLC的卫星天线控制系统改造方案[J].视听, 2015, (8) :173-174.
[2]拜娟娟.天线控制系统在卫星地球站的应用[J].西部广播电视, 2016, (11) :204+, 211.
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