基于比例積分控制的拉力實驗機(jī)系統(tǒng)

齊彤彤，王平欣

(1.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072; 2.山東省電力公司電力科學(xué)研究院,濟(jì)南 250002)

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)有了飛速發(fā)展，各著名電氣廠商相繼推出各自的伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品，并在不斷更新完善。伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。90年代以后，伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機(jī)伺服驅(qū)動[1]?，F(xiàn)今隨著伺服電機(jī)的廣泛應(yīng)用以及一些特殊應(yīng)用系統(tǒng)的需求，傳統(tǒng)的伺服單元對伺服電機(jī)的控制不能滿足實際應(yīng)用的需求，本文針對伺服單元無法滿足伺服電機(jī)輸出拉力的循環(huán)控制的情況進(jìn)行研究并設(shè)計完成了PI控制模塊[2-3]，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能，實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的PI控制模塊能實現(xiàn)伺服電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)動，使伺服電機(jī)輸出循環(huán)加載拉力，滿足實際應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

實際應(yīng)用中要求電機(jī)在較小范圍內(nèi)根據(jù)給定信號反復(fù)運(yùn)動，并能輸出指定的拉力或者壓力。本文通過使用PI控制策略[4]控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)電機(jī)輸出拉力或者壓力的循環(huán)加載能力。

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)基本原理圖如圖1所示。

圖1 基本原理框圖

系統(tǒng)主要包括三大部分，分別為控制部分、運(yùn)動執(zhí)行部分和測試部分。其中控制部分由PI控制器、伺服單元構(gòu)成，運(yùn)動執(zhí)行部分由伺服電機(jī)和電動缸構(gòu)成，測試部分主要是測試模塊。

系統(tǒng)中給定信號為0.1～1Hz的正弦電壓信號，PI控制器實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[4-5]，伺服單元限制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入信號，并且對意外情況有保護(hù)措施，防止急速動作[1]，伺服電機(jī)實現(xiàn)循環(huán)加載力的輸出，電動缸(傳動裝置)將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹本€上施加的壓力或者是拉力信號，連接到傳動軸的頂端的傳感器產(chǎn)生反饋力信號。該系統(tǒng)的目的是使電機(jī)在較小的位移下輸出指定的循環(huán)加載拉力。

直流偏置電壓和正弦波電壓疊加形成給定電壓信號，該給定電壓信號輸入給定信號輸入端，并與壓力傳感器的反饋電壓信號經(jīng)比例積分(PI)控制器實現(xiàn)信號的比較運(yùn)算，其輸出信號輸入給伺服單元扭矩指令控制端，由工作在扭矩模式指令下的伺服單元控制伺服電機(jī)按照指定的拉力要求工作。

1.2 實驗平臺

本文選用系統(tǒng)包括安川的伺服電機(jī)和伺服單元，集成的壓力傳感器和毫伏變送器，PI控制器。本文采用安川∑-II系列 SGM□H/SGDM 型號伺服驅(qū)動器,控制方式為三相全波整流IGBT PWM控制。壓力傳感器使用H3F型拉力稱重傳感器， S型梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，拉壓雙向承載，安裝使用方便靈活。高精度，合金鋼材料，體積小巧，外型美觀。構(gòu)建的實驗平臺如圖2。

圖2 實驗平臺

1.3 實驗方法

在施加循環(huán)加載的力之前要提供一個預(yù)壓力，為實現(xiàn)系統(tǒng)輸出壓力信號設(shè)定此信號為負(fù)值，給定信號波形如圖3，在偏置電壓信號為-1.5 V的基礎(chǔ)上施加幅值為1 V的正弦電壓信號，構(gòu)成循環(huán)加載力的信號輸入。

圖3 給定波形信號

給定電壓信號與由壓力傳感器傳回的反饋信號在PI模塊中進(jìn)行比例積分運(yùn)算，其結(jié)果輸送給伺服單元連接器CN1的9、10號端子(扭矩指令的輸入端子)，伺服單元根據(jù)此扭矩指令控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，傳動裝置即電動缸將電機(jī)力轉(zhuǎn)換成力的直線輸出，實現(xiàn)循環(huán)加載力的輸出。

CN1的40號端子為伺服ON信號輸入端，采用24 V電平輸入，用于實現(xiàn)伺服單元的啟動。實驗前需考慮整體信號單位的統(tǒng)一，設(shè)定伺服單元的扭矩指令為5 V時達(dá)到額定扭矩，此參數(shù)由Pn400設(shè)定[1]。如圖4所示，當(dāng)Pn400=50時改變斜率，使5 V電壓信號時對應(yīng)正方向下的額定扭矩。

圖4 額定扭矩設(shè)定

實驗中，未加入信號時，電機(jī)仍以微小的速度運(yùn)動，排除干擾源干擾的情況仍未解決，其原因是當(dāng)為扭矩控制時( 模擬指令)，雖然已將指令電壓設(shè)置為0 V，但是由來自上級裝置或者外部的指令電壓帶有微小量(mV 單位) 的“偏移(= 指令偏移)”使實際輸出的指令信號并不為0 V。在調(diào)整該“偏移量(= 指令偏移)”，將其修正為“0 V”后，電機(jī)便可以正常工作[1]，偏差調(diào)整如圖5所示。

圖5 偏差調(diào)整

實驗前期，由于未加入直流偏置電路，此時應(yīng)首先將伺服單元切換到手動控制，由手動控制命令使傳動軸直線前進(jìn)，達(dá)到指定的預(yù)壓力后方可切換為自動控制。自動模式的開啟使用伺服ON命令。

2 比例積分控制電路

比例積分控制電路主要實現(xiàn)比例積分的作用，是本文的關(guān)鍵，也是控制的主要核心。

2.1 直流偏置電路

為適應(yīng)實際工作要求，需加直流偏置電路，直流偏置電路如圖6所示， 由差分運(yùn)算放大電路[3]構(gòu)成，可以實現(xiàn)+5 V到-5 V的電壓信號輸出。

圖6 直流偏置電路

轉(zhuǎn)換開關(guān)S1可以實現(xiàn)直流偏置電壓信號的正負(fù)值切換，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出拉力或壓力的不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。R4、R5實現(xiàn)分壓，根據(jù)伺服單元的設(shè)置，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置R4、R5的值，使得限制輸入的直流偏置電壓值為+5 V到-5 V。此直流偏置信號與正弦波信號同時輸入OP07構(gòu)成的差分電路，實現(xiàn)信號的加法運(yùn)算，輸出疊加有直流偏置的正弦電壓信號。使系統(tǒng)操作更加簡單方便，更適于實際應(yīng)用。圖7為直流偏執(zhí)信號與給定波形信號的疊加過程。

圖7 直流偏置電路信號輸出

2.2 比例積分電路

PI調(diào)節(jié)控制是一個傳統(tǒng)控制方法[2]，它適用于多種控制現(xiàn)場。本實驗使用PI控制模塊實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[6-8]，其系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 PI控制系統(tǒng)原理圖

比例環(huán)節(jié)實現(xiàn)快速動作，比例系數(shù)P過小，動態(tài)響應(yīng)慢，消除誤差的能力差。由于實際系統(tǒng)為有慣性系統(tǒng)，比例系數(shù)過大會造成系統(tǒng)發(fā)生震蕩，調(diào)節(jié)時應(yīng)將P由大向小調(diào)，達(dá)到快速響應(yīng)又不震蕩為最好。積分環(huán)節(jié)作用是實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。積分作用還必須與系統(tǒng)的慣性相配合，對于慣性較大的系統(tǒng)積分作用就應(yīng)該弱些，積分作用過大會發(fā)生超調(diào)或者振蕩。所以積分作用是在調(diào)好比例環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行從小到大的調(diào)節(jié)，找到能快速消除誤差又不引起振蕩的積分系數(shù)為宜[6-9]。

如圖9所示，給定信號與反饋信號經(jīng)過運(yùn)放的差分運(yùn)算，然后做比例積分運(yùn)算。差分運(yùn)算J1用于濾除干擾信號。為方便單獨(dú)調(diào)試比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，故將比例積分部分分為相互獨(dú)立的兩個部分比例環(huán)節(jié)J2和積分環(huán)節(jié)J3。J4、J5是兩次反相過程，目的是使輸出更加穩(wěn)定。該電路中R10和C7為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)R10來改變比例系數(shù)，調(diào)節(jié)C7改變積分系數(shù)。由于實際應(yīng)用時輸出效果并不穩(wěn)定，實驗發(fā)現(xiàn)在積分電容兩端并接一個較大的電阻即R9，可以消除運(yùn)放存在的偏置電流、失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫度漂移，從而消除輸出電壓漂移帶來的積分誤差[3]，使系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到要求。由于整個系統(tǒng)運(yùn)行時干擾信號較大，所以在每一級處都添加簡單的阻容濾波電路，由于信號為0.1～1 Hz，所以設(shè)計為低通濾波。整個電路板使用±15 V供電。

圖9 比例積分控制電路

3 實驗結(jié)果

實驗中分別對不同頻率、不同電壓、不同模型進(jìn)行了實驗，實驗中使用了橡膠模塊和螺旋彈簧兩種模型來測試不同頻率、不同電壓下的控制效果。從實驗結(jié)果得知，硬性的橡膠模塊，容易控制，改變PI參數(shù)[9]能較好改善電機(jī)的運(yùn)動效果，但是控制光滑度不夠好，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性主要在于積分環(huán)節(jié)，故在電容兩端并接一個合適的電阻[3]，此時控制效果得到顯著改善；螺旋彈簧呈柔性，單純的參數(shù)調(diào)節(jié)并不能使系統(tǒng)達(dá)到理想效果，通過多次實驗可知其與電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速有關(guān)，如果轉(zhuǎn)速過高，發(fā)出指令后由于運(yùn)動過快就會出現(xiàn)運(yùn)動停滯現(xiàn)象，如果速度過慢又會使電機(jī)動作跟不上指令，所以在輸出信號頻率和電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速有一個最優(yōu)的配合，采用經(jīng)驗配合后可以實現(xiàn)良好控制。實驗結(jié)果波形如圖10、圖11，分別為0.1 Hz和1 Hz下的波形輸出和反饋結(jié)果。

圖10 輸出波形1 Hz的檢測波形

圖11 輸出波形0.1 Hz的檢測波形

由實驗結(jié)果可以看出，反饋的電壓信號基本與給定電壓信號同步，證明設(shè)計的PI控制模塊使的電機(jī)的輸出力矩較好的跟蹤給定的電壓信號，實現(xiàn)了對電機(jī)輸出力矩的良好控制，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力以及拉力的循環(huán)加載輸出。

4 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計了PI控制模塊，該模塊具有很強(qiáng)的通用性能，參數(shù)整定方便、設(shè)計簡單、運(yùn)行可靠，解決實際應(yīng)用中伺服單元對伺服電機(jī)扭矩控制的不足現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明本控制模塊具有較好的控制效果，易于實現(xiàn)，在工程控制領(lǐng)域有較強(qiáng)應(yīng)用能力，具有廣泛的應(yīng)用價值。