機(jī)電伺服系統(tǒng)重復(fù)學(xué)習(xí)控制器設(shè)計(jì)

邸彩蕓 喬 森 楊夢(mèng)麗

1.國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，保定 071051 2.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，保定 071051 3.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100017 4.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450000

在單片機(jī)、數(shù)字集成電路、稀土永磁電機(jī)和功率器件等電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的技術(shù)背景下，近年來國內(nèi)外機(jī)電伺服及其控制技術(shù)的發(fā)展十分迅猛。本文首先介紹了一種機(jī)電伺服系統(tǒng)原理，然后針對(duì)傳統(tǒng)PID控制器的高速高精性能不足，設(shè)計(jì)了一種新型的重復(fù)學(xué)習(xí)控制器P+A-Type ILC，并在中大型柔性噴管負(fù)載條件下進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文的重復(fù)學(xué)習(xí)控制器P+A-Type ILC機(jī)電伺服技術(shù)方案滿足型號(hào)高系統(tǒng)控制性能的特定需求，具有技術(shù)先進(jìn)性。

1 機(jī)電伺服系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本系統(tǒng)由1臺(tái)機(jī)電伺服控制驅(qū)動(dòng)器、1臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器、1臺(tái)動(dòng)力電源和1套伺服電纜網(wǎng)組成。 機(jī)電伺服控制驅(qū)動(dòng)器主要由控制電路模塊和以IPM模塊為核心的驅(qū)動(dòng)電路模塊2大部分組成。控制模塊選用TI公司最新一代電機(jī)控制專用DSP處理器TMS320F28335，驅(qū)動(dòng)模塊選用Mitsubishi公司PM150RL1B060，邏輯控制芯片選用Lattice公司CPLD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用256K×16的SRAM，另外輔以電流、電壓、速度檢測和PWM 驅(qū)動(dòng)等功能電路。

圖1 機(jī)電伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)電路模塊采用交-直-交電壓型主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為交流伺服電動(dòng)機(jī)提供功率驅(qū)動(dòng)，它包括電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路和保護(hù)電路，且控制電源和驅(qū)動(dòng)電源分別獨(dú)立供電，驅(qū)動(dòng)電源使用繼電器進(jìn)行軟啟動(dòng)。采用光耦對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。

配套伺服電機(jī)則采用高比功率設(shè)計(jì)的3kW中頻永磁同步電機(jī)。配套機(jī)電作動(dòng)器采用直線一體式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)簡潔、傳動(dòng)間隙小和裝配調(diào)試簡單等特點(diǎn)。機(jī)電作動(dòng)器主要由永磁同步伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、滾珠絲杠、線位移傳感器以及前后連接支耳等組成[1]。

快速、無超調(diào)和高精度是機(jī)電伺服系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)滿足這3項(xiàng)指標(biāo), 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已很難達(dá)到要求。根據(jù)國外的情況, 這類系統(tǒng)多采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)是將控制過程分成不同模態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行的不同階段，選用合適的控制律，組合簡單的控制方法實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)控制[2]。本文針對(duì)傳統(tǒng)PID控制器的高速高精性能的不足設(shè)計(jì)了一種新型的重復(fù)學(xué)習(xí)控制器P+A-Type ILC。

2 重復(fù)學(xué)習(xí)控制器

重復(fù)學(xué)習(xí)控制算法(ILC)最早由m.uchiama 在1978年發(fā)表的文章中提出,其思想是利用上一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，調(diào)整這個(gè)周期的控制量，以獲得期望的性能。到目前為止，ILC一般有3種基本形式：P-type，D-type和A-type。重復(fù)學(xué)習(xí)算法比較重要的2點(diǎn)是：1)學(xué)習(xí)對(duì)的因果關(guān)系；2)學(xué)習(xí)算法的噪音水平。A-Type ILC的噪音水平很低，但其學(xué)習(xí)對(duì)不具有因果關(guān)系；而D-Type ILC學(xué)習(xí)對(duì)雖具有因果關(guān)系，但噪音水平很高。為了得到性能優(yōu)越的重復(fù)學(xué)習(xí)算法，必須兼顧以上2點(diǎn)。由于系統(tǒng)的輸出導(dǎo)數(shù)信息很難測量，且無論從測量或數(shù)據(jù)差分得到的值都會(huì)有很強(qiáng)的噪音，因此應(yīng)盡量使用輸出信息進(jìn)行學(xué)習(xí)。故本項(xiàng)目采用p+A-Type ILC[3-4]。

在本文中，將機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)和速度環(huán)一起作為控制對(duì)象，這樣機(jī)電伺服系統(tǒng)包括速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器。本機(jī)電伺服控制技術(shù)采用經(jīng)典的基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)?？刂破髦兴俣拳h(huán)控制器和電流環(huán)控制器采用通用的PI控制器。位置環(huán)采用p+A-Type ILC控制器，從機(jī)電伺服速度給定ω(t)(位置環(huán)控制器的輸出)到角位移輸出θ(t)的傳遞函數(shù)為：

(1)

上式也即是p+A-Type ILC的控制模型[5-6]。

p+A-Type ILC的表達(dá)式如下：

ui+1(t)=ui(t)+k(oxd(t+Δ)-oxi(t+Δ))

(2)

由上述公式得出ui(t)對(duì)t時(shí)刻以后的系統(tǒng)輸出有影響，因此可以使用t時(shí)刻以后的系統(tǒng)輸出學(xué)習(xí)下一周的輸入ui(t+1) ，這就是A-Type ILC的核心思想[7]。式中Δ是正常數(shù)，οxd(t+Δ)-οxi(t+Δ) 代表t+Δ 時(shí)刻系統(tǒng)跟蹤期望運(yùn)動(dòng)的誤差，A-Type ILC的學(xué)習(xí)對(duì)為(ui(t),oxi(t+Δ))，其因果關(guān)系可用下列表達(dá)式表述。

(3)

可見ui(t)在οxi(t+Δ)顯示地出現(xiàn)，從而學(xué)習(xí)對(duì)具有因果關(guān)系[8]。

本文采用p+A-Type ILC位置控制器。其中，A-Type ILC用于機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)噴管慣量和有規(guī)律干擾諸如噴管和傳動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)償，而p控制器用于隨機(jī)干擾的抑制。p+A-Type ILC控制模型在狀態(tài)空間中可表達(dá)為[9]：

(4)

式中：ω(t)為機(jī)電伺服速度給定；θ(t)為機(jī)電伺服位移輸出

x∈Rn；A∈Rn*n；B∈Rn*1；C∈R1*n；ω∈R。

由系統(tǒng)模型可知系統(tǒng)模型相對(duì)階數(shù)為2。A，B和C的表達(dá)方式不唯一，本項(xiàng)目中選擇如下的值

C=[1, 0, 0]

(5)

上述參數(shù)值滿足：

(6)

控制目標(biāo)就是使得機(jī)電伺服系統(tǒng)輸出重復(fù)位移θi(t)來重復(fù)跟蹤期望軌跡θ*(t)。θ*(t)為位置角度指令。定義軌跡跟蹤誤差

e(t)=θ*(t)-θi(t)

(7)

為第i周期時(shí)刻的軌跡跟蹤誤差。其中位移θi(t)為第i周期t時(shí)刻控制系統(tǒng)的位移輸出[10]。

針對(duì)上述控制目標(biāo),則機(jī)電伺服系統(tǒng)p+A-Type ILC位置控制器設(shè)計(jì)如下：

(8)

p+A-Type ILC位置控制器的整個(gè)軟件流程圖如圖3所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證重點(diǎn)考察在突加與突卸力矩負(fù)載時(shí)，位置環(huán)定位保持調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)能力，也就是位置環(huán)抵御高頻擾動(dòng)的能力，并與經(jīng)典P位置控制器對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)采用完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于DSP TMS320F28335的10kW伺服驅(qū)動(dòng)器，配套伺服電機(jī)則采用高比功率設(shè)計(jì)的3kW中頻永磁同步電機(jī)，試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示[13]。

由上位機(jī)編程設(shè)定位置指令信息，位置指令設(shè)定幅值為0°的恒值信號(hào)，同時(shí)伺服控制器實(shí)時(shí)反饋?zhàn)约旱碾姍C(jī)電壓、位移、電流及速度信號(hào)，通過位置指令信號(hào)和各自電機(jī)的電壓、電流、位移及速度信號(hào)記錄突加負(fù)載和突卸力矩負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，從而體現(xiàn)位置環(huán)抵御高頻擾動(dòng)的能力。

圖2 p+A-Type ILC位置控制器控制框圖

圖3 p+A-Type ILC位置控制器軟件流程圖

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

由于配套伺服電機(jī)采用高比功率設(shè)計(jì)的3kW中頻永磁同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為19N·m，故試驗(yàn)中突加和突卸力矩負(fù)載為額定轉(zhuǎn)矩19N·m，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程與3個(gè)閉環(huán)控制參數(shù)有決定性影響，故調(diào)試各個(gè)控制器參數(shù)直至震蕩，參數(shù)設(shè)置為位置比例增益PA3=15，速度比例增益PA4=200，速度積分增益PA5=500，速度控制積分時(shí)間常數(shù)10ms，伺服轉(zhuǎn)矩過載能力設(shè)置為200%[1]。

突加力矩負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由突加力矩負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)P位置控制器突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載后最大位置超調(diào)最大值達(dá)到了58°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為135ms，而本文設(shè)計(jì)的p+A-Type ILC位置控制器位置超調(diào)最大值僅為27°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為84ms，超調(diào)降低了53.5%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間縮短了38%。

圖5 突加19N·m轉(zhuǎn)矩的位置調(diào)整過程

突卸力矩負(fù)載如圖6所示。由突卸力矩負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)P位置控制器突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載后最大位置超調(diào)最大值達(dá)到了144°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為82ms，而本文設(shè)計(jì)的p+A-Type ILC位置控制器位置超調(diào)最大值僅為65°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為49ms，超調(diào)降低了54.8%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間縮短了41%，且傳統(tǒng)P位置控制器在過渡過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重振蕩現(xiàn)象，顯示在控制器策略中控制器的阻尼設(shè)計(jì)要比的p+A-Type ILC位置控制器差很多。

圖6 突卸19Nm轉(zhuǎn)矩的位置調(diào)整過程

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種p+A-Type ILC位置環(huán)重復(fù)學(xué)習(xí)控制器，速度環(huán)控制器和電流環(huán)控制器采用PI控制器，位置環(huán)采用p+A-Type ILC控制器，并進(jìn)行了與經(jīng)典P位置控制器的突加負(fù)載和突卸負(fù)載試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。突加負(fù)載試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)P位置控制器突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載后最大位置超調(diào)最大值達(dá)到了58°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為135ms，而p+A-Type ILC位置控制器位置超調(diào)最大值僅為27°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為84ms，超調(diào)降低了53.5%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間縮短了38%。突卸負(fù)載試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)P位置控制器突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載后最大位置超調(diào)最大值達(dá)到了144°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為82ms，而p+A-Type ILC位置控制器位置超調(diào)最大值僅為65°，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為49ms，超調(diào)降低了54.8%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間縮短了41%，且傳統(tǒng)P位置控制器在過渡過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重振蕩現(xiàn)象，顯示在控制器策略中控制器的阻尼設(shè)計(jì)要比的p+A-Type ILC位置控制器差很多。p+A-Type ILC位置控制器實(shí)現(xiàn)了高速高精度的實(shí)時(shí)控制，滿足了伺服系統(tǒng)時(shí)變非線性負(fù)載下的不同工況需求，系統(tǒng)魯棒性大大提高。