基于數(shù)字伺服控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

何 俊，夏 斌

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

伺服控制系統(tǒng)（伺服單元）是具有位置、速度、或加速度閉環(huán)控制的機(jī)械系統(tǒng)［1］。隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用最廣［2］，各種機(jī)械加工設(shè)備和機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)控制都離不開伺服控制技術(shù)。應(yīng)用伺服控制可實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，例如數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制等。由于在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，只要涉及到被控設(shè)備精確地跟蹤給定參數(shù)，就需要用到伺服技術(shù)［3］，因此讓學(xué)生掌握伺服控制原理對(duì)以后機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、調(diào)試、故障診斷等非常必要。伺服控制原理理論知識(shí)比較復(fù)雜，對(duì)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來說是一門跨學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)目前國內(nèi)沒有較好的數(shù)字伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為此本文設(shè)計(jì)一種將復(fù)雜的伺服控制理論轉(zhuǎn)化成電機(jī)實(shí)際動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)過程曲線的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以讓學(xué)生了解伺服控制原理，同時(shí)掌握伺服系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)伺服電機(jī)的影響，從而借助該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握數(shù)控技術(shù)及伺服技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。該系統(tǒng)由上位機(jī)PC、下位機(jī)PLC、控制電路、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、絲杠光柵尺等組成。電機(jī)選用三相無刷直流電機(jī)［4］，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部包含電子換向主電路，即三相H形橋式逆變器、PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速電路、換向控制電路及過流保護(hù)電路。PLC一方面通過RS232接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，同時(shí)向硬件電路輸出控制要求，例如選擇正反轉(zhuǎn)控制、速度控制、開環(huán)／閉環(huán)、前饋／反饋等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此外還承擔(dān)實(shí)時(shí)性要求較高的位置計(jì)算與控制。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、PWM調(diào)速實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)零啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，加／減速實(shí)驗(yàn)，開環(huán)增益與跟隨誤差、系統(tǒng)穩(wěn)定性、伺服剛度關(guān)系實(shí)驗(yàn)，前饋補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，PID參數(shù)對(duì)電機(jī)影響等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)過程中，不僅可以直觀地看到直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)通過軟件界面還可以得到實(shí)測(cè)曲線，通過與給定值曲線比較，學(xué)生可以掌握伺服電機(jī)各控制參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響，從而能更好地將伺服電機(jī)運(yùn)用到機(jī)械行業(yè)中去。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，采用直流電機(jī)伺服系統(tǒng)，其控制是一個(gè)單輸入、單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于該系統(tǒng)［5］。該電機(jī)伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)，其中電流環(huán)、速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，位置環(huán)伺服系統(tǒng)屬于Ⅰ型系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。開環(huán)控制方便進(jìn)行開環(huán)增益與系統(tǒng)穩(wěn)定性、跟隨誤差實(shí)驗(yàn)；雙閉環(huán)控制可以獲得接近于理想的電機(jī)啟動(dòng)過程，前饋補(bǔ)償控制可以解決穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。本文 PLC選用 S7－200系列 PLC［6－7］，電機(jī)選用三相無刷直流電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)：額定電壓24V，額定功率100W，額定轉(zhuǎn)速1 000r／min，額定扭矩1Nm。

圖2 數(shù)字伺服控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

開環(huán)控制下，三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖見圖3，電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制由該電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出6個(gè)代碼給換向邏輯控制電路，譯碼后去驅(qū)動(dòng)電子換向器主回路（三相橋式逆變器）中6個(gè)開關(guān)管，同時(shí)PLC向換向邏輯控制電路輸入正反轉(zhuǎn)信號(hào)，換向邏輯控制電路接收到換向信號(hào)（該信號(hào)是一個(gè)邏輯信號(hào)）后，高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平電機(jī)時(shí)反轉(zhuǎn)。該電機(jī)的調(diào)速通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)。由于任何情況下，換向控制信號(hào)的頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PWM信號(hào)的頻率，系統(tǒng)中由PLC產(chǎn)生高頻的PWM信號(hào)與換向控制信號(hào)通過邏輯“與”的辦法合成在一起，只要調(diào)節(jié)PLC輸出的PWM信號(hào)的占空比就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電壓，而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比［8］，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

圖3 開環(huán)三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

在雙閉環(huán)控制下電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

雙閉環(huán)情況下，通過PLC輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，PLC輸出的U＊n為通過PLC給定轉(zhuǎn)速信號(hào)，Un為實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，差值經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）PI調(diào)節(jié)后輸出電壓控制信號(hào)，電壓控制信號(hào)再與負(fù)載電壓信號(hào)經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器（ACR）輸出，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該系統(tǒng)中電流環(huán)、速度環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)，因此可驗(yàn)證P、I參數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

在電機(jī)起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和3個(gè)階段，在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)作用下，通過改變電流來改變3個(gè)階段的轉(zhuǎn)速從而獲得理想啟動(dòng)過程。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行突加負(fù)載時(shí)，電流變化，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，而在速度環(huán)作用下轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)到給定值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)雙閉環(huán)零啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)加載。

位置控制采用數(shù)據(jù)輸入方式，系統(tǒng)根據(jù)輸入的位移、最大進(jìn)給速度和加速度，形成位置和速度控制曲線。典型的位置伺服系統(tǒng)屬于Ⅰ型系統(tǒng)，位置環(huán)開環(huán)增益影響系統(tǒng)的跟隨誤差、系統(tǒng)穩(wěn)定性和伺服剛度，開環(huán)增益數(shù)值對(duì)伺服系統(tǒng)的電機(jī)有直接影響，選用不同的開環(huán)增益，系統(tǒng)直流電機(jī)展現(xiàn)不同動(dòng)作，同時(shí)描繪曲線。

在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)對(duì)外部輸入信號(hào)進(jìn)行多階微分的順饋補(bǔ)償作為前饋補(bǔ)償，把前饋控制和反饋控制相結(jié)合成為復(fù)合控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)。上位機(jī)輸出控制參數(shù)指令，同時(shí)根據(jù)下位機(jī)及傳感器傳輸回的信號(hào)在屏幕上描繪曲線。下位機(jī)接收上位機(jī)的控制參數(shù)，并且輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)，同時(shí)收集編碼器、光柵尺信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前位移，再計(jì)算出控制值作為給定值，實(shí)現(xiàn)反饋控制。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件在Windows XP系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο螅?－10］的 Visual C＋＋6.0［11－12］進(jìn)行開發(fā)，軟件界面見圖6（左上為主界面，其余為不同實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置界面）。可以在軟件中選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并設(shè)置不同的參數(shù)值，這些數(shù)值會(huì)自動(dòng)傳遞給下位機(jī)，下位機(jī)編譯并輸出信號(hào)以控制電路工作，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，同時(shí)PLC采集編碼器信號(hào)，反饋回上位機(jī)以實(shí)時(shí)描繪出曲線。

圖6 上位機(jī)程序軟件界面

系統(tǒng)下位機(jī)PLC接收上位機(jī)的信號(hào)，通過編譯后，向硬件電路輸出控制信號(hào)，同時(shí)接受編碼器的信號(hào)，并傳遞給上位機(jī)。下位機(jī)程序流程圖見圖7。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)工作正常，分別進(jìn)行了伺服系統(tǒng)加／減速實(shí)驗(yàn)、雙閉環(huán)啟動(dòng)與加載實(shí)驗(yàn)、PID參數(shù)對(duì)電機(jī)影響實(shí)驗(yàn)、開環(huán)增益與跟隨誤差實(shí)驗(yàn)、開環(huán)增益與系統(tǒng)剛性實(shí)驗(yàn)、前饋補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得的曲線見圖8。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)允許設(shè)定不同的參數(shù)值，經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集的電流及位移信號(hào)反映在系統(tǒng)界面上，從而可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下不同參數(shù)下給定值與實(shí)際值對(duì)比效果，也可以展示出開環(huán)、閉環(huán)、反饋、前饋控制的不同之處，軟硬件相結(jié)合，能更直觀地展現(xiàn)伺服系統(tǒng)的工作原理。

圖7 下位機(jī)程序流程圖

圖8 各實(shí)驗(yàn)曲線顯示界面

5 結(jié)束語

本文利用PLC、數(shù)據(jù)采集卡、硬件電路及直流電機(jī)、絲杠、光柵尺以及Visual C＋＋6.0編程軟件，研制了數(shù)字伺服原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生可以通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得同種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下各參數(shù)對(duì)伺服系統(tǒng)的影響，同時(shí)結(jié)合實(shí)物電機(jī)和絲杠、光柵尺，掌握伺服控制參數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床的影響，為數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。同時(shí)，此系統(tǒng)融合了開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及前饋控制，通過比較分析，可以讓學(xué)生了解各種控制模式的特點(diǎn)，為以后機(jī)床設(shè)計(jì)控制模式的選用打基礎(chǔ)。

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