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交流伺服系统PID控制方法实现
2012-11-26

交流伺服系统在制造业控制中得到了更加广泛的应用,对控制的要求体现在响应速度快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好。随着计算机技术、电子技术、电机磁性材料的不断发展,交流伺服控制逐渐成为工厂自动化领域中运动控制的主流〔1〕,有关各种新型控制算法不断涌现,如自适应控制、磁场定向控制及直接转矩控制、智能控制等。但是,传统的PID控制方法以其实现的方便可靠性仍是其它控制算法的基础。

一、系统组成原理
 系统的整体结构如图1所示。

  该系统由四部分组成,即微机、伺服控制卡、交流伺服调速系统、传感检测。主控微机与控制卡相连,可以通过数据线发送位置或速度命令,设定PID调节参数,并进行数模(D/A)转换,该模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机。电机轴端装有增量式光电码盘,通过光电码盘提供反馈信号(A、B、IN脉冲)来完成位置伺服系统的位置反馈,组成一个半闭环系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上,便于安装和避免机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影响。位置反馈环中传感元件—增量式光电编码器将运动构件实时的位移(或转角)变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站(PC机)中进行编码器脉冲计数,以获得数字化位置信息,主控微机计算给定位置与实际位置(即反馈到的位置)的偏差后,根据偏差范围采取相应的PID控制策略,将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压,并输出给伺服放大器,最终调节电机运动,完成期望值的定位。

二、伺服控制方法

    工业控制中常用的方法是PID调节器,尽管随着现代交流调速技术的发展,出现了各种新型控制算法,如自适应控制、专家系统、智能控制等〔2〕。从理论分析,许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性,但是由于算法本身的复杂性,而且对系统进行模型辨识比较麻烦,因此,在实际系统中实现时困难,对于传统的PID调节器而言,其最大的优点在于算法简单,参数易于整定,具有较强的鲁棒性〔3〕,而且适应性强,可靠性高,这些特点使PID控制器在工业控制领域得到广泛的应用。对于数控系统中的控制对象而言并不复杂,用PID调节器更易实现预期效果。
1、位置环PID控制算法
      在数字PID调节控制系统中,引入积分环节的目的是为了消除静差,提高精度,但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时,会产生积分积累,引起系统较大的超调,甚至振荡,这对于伺服电机的运行来说是不利的。为减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响,采用积分分离PID控制正当其时,当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位值时,再恢复积分校正环节,以便消除系统的稳态误差。
    积分分离PID控制算法需设定积分分离阀ε,当|e(k)|>ε时,即偏差值较大时,采用PD控制,减少超调量,使系统有较快响应;当|e(k)|≤ε时,即偏差值比较小时,采用PID控制,以保证伺服电机位置控制精度。

重庆幸运农场    离散化PID控制算式为:


其中,k为采样序号,k=0,1,2…;Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数。在实际中,若执行机构需要的是控制量的增量,根据递堆原理可得增量式PID控制算式为:

2、位置环控制算法流程

图2所示为控制算法流程图。


3、控制系统参数的整定

    主控微机向控制卡发送PID参数,看给定的参数是否符合控制系统的要求,该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定Kp、Ki、Kd及采样周期T,比例系数Kp增大,使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快,而过大会引起振荡,调节时间加长;积分系数Ki增大,能消除系统稳态误差,但稳定性下降;微分控制可以改善动态特性,使超调量减少,调整时间缩短。通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法,以及归一参数整定方法。这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯(Ziegler-Nichols规则)〔4〕,通常可认为交流伺服系统的模型为一阶带有延迟环节的模型(带滞后的一阶环节):


式中的一阶响应特征参数K、L和T可以由图3所示的S型响应曲线提取出来。求取这些参数对实际系统并不困难,可以通过对系统进行阶跃输入激励,得到响应曲线,再根据曲线求出其特征参数。于是可由Ziegler-Nichols整定规则得到:
 
数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。一方面要满足香农定理,即ωs≥2ωmax,实际系统输入及反馈的最大频率ωmax难以测定,另一方面采样周期并没有一个精确的计算公式,只能根据工程应用按经验规则选取,对于机电控制系统,要求较短采样周期,通常为几十毫秒。

三、结论
        对于交流位置伺服控制系统而言,采用基于PC机的开发平台,用常规的PID调节器进行控制,只要参数整定适当,加之系统的机械精度(运动轴、齿轮、电机丝杠传动化)控制在一定误差范围内,电气控制精度(编码器脉冲)就可得到提高,鲁棒性强,可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。