基于PMAC 控制器的電火花加工伺服系統(tǒng)控制策略與實(shí)現(xiàn)算法

王新港，劉永紅，趙蒞龍，楊國(guó)棟，亓 梁

（ 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580 ）

隨著電火花加工技術(shù)與脈沖電源的發(fā)展，伺服系統(tǒng)不斷成熟，已從最初的機(jī)械、液控伺服系統(tǒng)發(fā)展到以伺服電機(jī)為執(zhí)行元件的系統(tǒng)。 同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化的發(fā)展也促使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度、響應(yīng)速度等有了很大的進(jìn)步。

Kunieda 等[1]在研究中考慮到干式電火花加工是以氣體為加工介質(zhì)，雖然電極磨損小、加工效率高，但是放電間隙低，易導(dǎo)致電源短路，便引入高頻響應(yīng)速度快的壓電執(zhí)行器來(lái)控制電火花放電間隙，改進(jìn)了干式電火花加工的伺服系統(tǒng)；同時(shí)為了驗(yàn)證壓電執(zhí)行器的效果，還開發(fā)了電火花加工模擬器來(lái)仿真干式電火花加工的穩(wěn)定性和加工效率。

Fu 等[2]在微細(xì)電火花加工中利用壓電材料的壓電自適應(yīng)機(jī)理來(lái)調(diào)節(jié)放電間隙，由于壓電自適應(yīng)材料可根據(jù)放電條件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，有利于在微細(xì)電火花加工中去除碎屑、減少電弧/短路電路的發(fā)生以及實(shí)現(xiàn)短路的自消除。

能使電火花成形加工放電間隙保持適當(dāng)距離的伺服系統(tǒng)對(duì)電火花成形加工質(zhì)量至關(guān)重要，隨著電火花加工質(zhì)量要求的提高，高度穩(wěn)定和精確的伺服系統(tǒng)也越來(lái)越被需要[3]。 Zhou 等[4-5]為了適應(yīng)復(fù)雜放電環(huán)境，研發(fā)了可直接自動(dòng)調(diào)節(jié)放電停止時(shí)間的自適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)。 Zhang[6]提出一種更加智能化的控制方式，在電火花加工伺服系統(tǒng)中創(chuàng)新性地應(yīng)用了FUZZY 邏輯控制， 并研究定量因子和比例因子對(duì)模糊控制器系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)建立基于因子在線調(diào)整的三維模糊控制器，很好地應(yīng)對(duì)條件變化，還對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，該控制方法可提高非線性和時(shí)變控制系統(tǒng)的控制效果。

為使電火花成形加工脈沖電源能在伺服系統(tǒng)的配合下發(fā)揮更好的性能, 本文設(shè)計(jì)了基于PMAC Clipper 運(yùn)動(dòng)控制卡的電火花成形加工脈沖電源伺服系統(tǒng)控制方案, 以工業(yè)計(jì)算機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為硬件設(shè)備、以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，分析和設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)的功能，還設(shè)計(jì)了間隙電壓采集電路，并且應(yīng)用PID 控制算法，以此建立了完整的伺服控制系統(tǒng)。。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于PMAC Clipper 運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服控制系統(tǒng)如圖1 所示，由工控機(jī)、Clipper 主卡、ACC-34AA 擴(kuò)展卡、DTC-8B 四通道轉(zhuǎn)接接口卡、ACC-28B 擴(kuò)展卡組成。

圖1 Clipper 伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

Clipper 主卡通過(guò)RS232 接口與上位機(jī)軟件連接，用于接收用戶發(fā)送的指令與程序，經(jīng)CPU 處理后再通過(guò)多種不同接口與附件卡相連接。

ACC-34AA 是一塊通用離散輸入輸出量板卡，提供32 路光耦隔離的輸入輸出通道，其實(shí)際IO 口的讀取與寫入由特殊的M 變量控制，通過(guò)JTHW 端口與主卡進(jìn)行通訊，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)機(jī)床關(guān)鍵部件如手輪的脈沖與方向信號(hào)的處理。

DTC-8B 軸轉(zhuǎn)接卡與主卡的JMACH1 和JMACH2 相連接，其余DB 端子與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，其主要功能是將主卡接收的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；還可接收電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，判斷與處理電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即位置信息，從而高效快捷地控制電機(jī)。

ACC-28B 擴(kuò)展卡是兩通道或四通道的AD 采集轉(zhuǎn)換板， 將采集到的電壓經(jīng)過(guò)光耦隔離后進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換并把結(jié)果輸入PMAC 主卡， 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主要用于檢測(cè)間隙電壓，判斷放電狀態(tài)。

本文采用專用于Clipper 多軸運(yùn)動(dòng)控制器的Pewin32Pro2 調(diào)試軟件（圖2）來(lái)設(shè)置及調(diào)試PMAC卡。 如圖2 所示，該軟件界面中的“位置窗口”顯示客戶端的實(shí)時(shí)位置，如位置、速度和跟隨誤差；“電機(jī)狀態(tài)窗口”顯示電機(jī)的狀態(tài)信息，如使能狀態(tài)、積分模式、開閉環(huán)模式、跟隨誤差、限位信息等，可得到電機(jī)的速度和位置等信息、進(jìn)行安全狀態(tài)檢查及故障排除、 跟蹤程序的運(yùn)行過(guò)程等；“命令窗口”用于輸入在線指令及查詢變量；“結(jié)果顯示窗口”是顯示程序的運(yùn)行狀態(tài)、在線指令的返回結(jié)果、錯(cuò)誤信息經(jīng)警告信息等。 除此之外，還提供了I 變量、M 變量查看及編輯功能、全局狀態(tài)查看功能等。

圖2 Pewin32Pro2 軟件界面

指令和變量也是PMAC 的重要組成部分。PMAC 指令分為在線指令和緩沖指令。其中，在線指令如全局命令、坐標(biāo)系定義命令、電機(jī)命令等，可在線運(yùn)行，只要輸入命令執(zhí)行窗口，可立即被執(zhí)行且不會(huì)被存儲(chǔ)，一般用于調(diào)試參數(shù)指令，在本系統(tǒng)中主要用于查看PMAC 各個(gè)變量的值以及調(diào)試電機(jī)等客戶端；緩沖指令是存儲(chǔ)至處理器的指令，不能被立即執(zhí)行，只能在命令控制執(zhí)行之后被運(yùn)行。

PMAC 中的變量由字母加數(shù)字組成， 每種字母代表了一類變量，主要有以下幾類變量：

（1） I 變量用于初始化板卡或程序，是系統(tǒng)固有的一類變量，在系統(tǒng)內(nèi)存中有固定位置且其意義已被預(yù)置。 例如 “I100-I199” 用于設(shè)置1 號(hào)電機(jī)、“I200-I299”用來(lái)設(shè)置2 號(hào)電機(jī)、“I4900-I4999”用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)等。 I 變量共有1024 個(gè)。

（2）P 變量是一類通用變量，在系統(tǒng)內(nèi)存中也有固定位置， 可被操作者更改， 可用于設(shè)置位置、速度、時(shí)間、模態(tài)等任何目的。 P 變量共有8192 個(gè)。

（3）Q 變量與P 變量類似，也是通用變量、在系統(tǒng)內(nèi)存中有固定區(qū)域， 但沒(méi)有被提前定義。 Q 變量也共有8192 個(gè)。

（4）M 變量允許用戶方便地對(duì)PMAC 卡的存儲(chǔ)區(qū)與輸入、輸出區(qū)進(jìn)行操作，可使用數(shù)字或表達(dá)式來(lái)定義，如M567 或M（P1+20）都被允許。定義M 變量后必須使用SAVE 命令進(jìn)行保存。 M 變量也共有8192 個(gè)。

1.2 間隙檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了確定電火花加工電極與工件之間的工作介質(zhì)放電狀態(tài)，本文首先對(duì)間隙進(jìn)行檢測(cè)。 火花放電狀態(tài)一般分為開路、火花放電、短路、電弧放電和過(guò)渡電弧放電。 由于極間狀態(tài)復(fù)雜，干擾因素眾多，不能對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量，因此通常將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量。 放電狀態(tài)的檢測(cè)方法一般有平均間隙電壓測(cè)量法、放電脈沖峰值電壓監(jiān)測(cè)法、高頻分量監(jiān)測(cè)法和擊穿延時(shí)檢測(cè)法等。 對(duì)火花狀態(tài)做出正確判斷后，將信號(hào)傳遞給執(zhí)行單元，伺服系統(tǒng)將做出正確的動(dòng)作。

本伺服系統(tǒng)將采用間隙電壓檢測(cè)方法來(lái)判斷間隙尺寸。間隙電壓U 與間隙距離h 之間的關(guān)系見圖3。 Ud是可實(shí)現(xiàn)擊穿的最小電壓， 相應(yīng)的可完成擊穿的最小距離是hd；Uk是可實(shí)現(xiàn)擊穿的最大電壓，相應(yīng)的可完成擊穿的最大距離是hk。 由圖3 可見，擊穿距離與擊穿電壓正相關(guān)。 當(dāng)電壓介于可開通放電通道的最小電壓和最大電壓之間時(shí)，可產(chǎn)生擊穿的距離和電壓幾乎是線性的。 因此，可通過(guò)測(cè)量電極與工件之間的電壓來(lái)判斷火花放電的狀態(tài)，從而為伺服系統(tǒng)的控制提供基礎(chǔ)條件。

圖3 間隙距離與間隙電壓的關(guān)系

基于平均放電間隙電壓法的兩種放電狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路見圖4。 在圖4a 中，二極管用于避免檢測(cè)電路對(duì)放電電路造成干擾，間隙電壓經(jīng)二極管D 與R2分壓后對(duì)電容充電并變成平均電壓，經(jīng)R1分壓后變成可用于電壓檢測(cè)的信號(hào)。 圖4b 在圖4a 基礎(chǔ)上增加整流橋，可在改變加工極性時(shí)不影響檢測(cè)信號(hào)。

圖4 平均間隙電壓檢測(cè)電路

根據(jù)平均間隙電壓檢測(cè)法，結(jié)合本電源特性設(shè)計(jì)了間隙電壓監(jiān)測(cè)電路（圖5）。 Uin+與Uin-分別接電極與工件， 經(jīng)過(guò)R1和R2分壓、C1和C2濾波以及R3限流后輸入運(yùn)算放大器U1A， 運(yùn)算放大器的信號(hào)輸入R4后再輸入光耦中為發(fā)光二級(jí)管D1輸出電流，使D1發(fā)光，從而為D2和D3提供信號(hào)。 光耦中D2輸出經(jīng)運(yùn)算放大器U1A后給光耦反饋，D3的輸出經(jīng)運(yùn)算放大器處理后輸出電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電容C8的作用成為間隙待檢測(cè)的平均后的電壓Uout。

圖5 電壓采集電路原理圖

2 基于PMAC Clipper 的PID 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

2.1 基于PANATERM 軟件的電機(jī)調(diào)試

根據(jù)電火花加工伺服系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的綜合性能，本伺服系統(tǒng)選用了高性能的MHMD082G1U 交流伺服電機(jī)， 其額定輸出功率為750 W、瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為7.1 N·m、最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4500 r/min，均滿足本伺服系統(tǒng)要求；伺服驅(qū)動(dòng)器則選用了MCDHT3520 驅(qū)動(dòng)器， 該驅(qū)動(dòng)器配有XA、XB、XC 以及X1～X7 等接口， 可與USB 監(jiān)視連接器、電機(jī)編碼器、安全功能用連接器、光柵和上位機(jī)等連接。

PANATERM 軟件是一款用于調(diào)試MINAS 系列驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的軟件， 可運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)，通過(guò)USB 連接電腦與驅(qū)動(dòng)器的X1 接口并開展調(diào)試，能完美兼容松下電機(jī)，完成基本的調(diào)試過(guò)程。 除了基本的文件操作功能外，該軟件具有與驅(qū)動(dòng)器通信界面、參數(shù)界面、監(jiān)視器界面、警報(bào)界面、增益調(diào)整界面、波形曲線界面、試運(yùn)行界面和適合增益界面等功能。 PANATERM 軟件的界面及功能見圖6。

圖6 PANATERM 軟件界面與功能

電機(jī)的調(diào)試過(guò)程如下：

（1）電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器通信：軟件將自動(dòng)識(shí)別電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，保證電機(jī)調(diào)試過(guò)程正常。

（2）參數(shù)設(shè)置：如圖7 所示，可調(diào)參數(shù)有旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定、實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整設(shè)定、指令脈沖輸入選擇、指令脈沖輸入模式設(shè)定等。 設(shè)置時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)的控制模式為轉(zhuǎn)矩控制；指令脈沖輸入選擇“光電耦合器輸入”；指令脈沖輸入模式設(shè)定“選擇脈沖序列+符號(hào)”；實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整設(shè)定為“標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答模式”。

圖7 電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

（3）增益設(shè)定：如圖8 所示，可進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整，設(shè)定自適應(yīng)濾波器、制振濾波器、指令濾波器、關(guān)聯(lián)參數(shù)等。 首先進(jìn)行自動(dòng)增益調(diào)整，將控制編碼器輸出相應(yīng)的命令， 在多個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況確定最佳參數(shù)；然后轉(zhuǎn)至試運(yùn)行界面，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)波形觀測(cè)功能或簡(jiǎn)易監(jiān)視器確定運(yùn)行結(jié)果；最后調(diào)整電機(jī)的最佳剛性設(shè)置。 調(diào)整過(guò)程畫面見圖9。 經(jīng)調(diào)整后，電機(jī)剛性設(shè)定為13。

圖8 電機(jī)增益設(shè)定界面

圖9 電機(jī)增益調(diào)整界面

（4）監(jiān)視器監(jiān)視：如圖9 所示，監(jiān)視器可確認(rèn)驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、輸入輸出信號(hào)、內(nèi)部狀態(tài)等的標(biāo)示、記錄和播放監(jiān)視器的數(shù)據(jù)，并可監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)對(duì)不恰當(dāng)?shù)膮?shù)做出調(diào)整。

（5）電機(jī)試運(yùn)行：經(jīng)監(jiān)視器監(jiān)視無(wú)問(wèn)題后，轉(zhuǎn)至電機(jī)試運(yùn)行畫面。 如圖10 所示，試運(yùn)行可通過(guò)相應(yīng)的功能按鈕載入已設(shè)置好的參數(shù)，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。 若電機(jī)運(yùn)行正常即可進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。

圖10 電機(jī)試運(yùn)行測(cè)試界面

2.2 基于PMAC TurningPro2 軟件的PID 參數(shù)調(diào)節(jié)

PMAC TurningPro2 軟件是一種用于創(chuàng)建、管理和配置伺服電機(jī)控制策略的診斷和優(yōu)化工具。 利用該軟件可對(duì)電機(jī)進(jìn)行一系列的配置和優(yōu)化，比如數(shù)字電流環(huán)路的設(shè)置及優(yōu)化、 電機(jī)開機(jī)操作的驗(yàn)證、伺服命令偏移量的校準(zhǔn)、位置循環(huán)增益的配置和優(yōu)化等。 除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)之外，該軟件還提供了實(shí)時(shí)曲線繪制工具、電機(jī)狀態(tài)工具、電機(jī)位置顯示工具及進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)所需的命令編寫工具。

在連續(xù)控制系統(tǒng)，常采用按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制的PID 算法。 該算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、控制效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在電火花伺服控制中也有廣泛應(yīng)用。 連續(xù)PID 控制的框圖如圖11 所示，其中，r（t）為輸入信號(hào)；e（t）為控制器輸入量，即偏差；u（t）為控制器輸出量；c（t）為系統(tǒng)輸出量。

圖11 連續(xù)PID 控制框圖

PID 控制規(guī)律可表示為[7]：

PMAC TurningPro2 軟件對(duì)PID 伺服環(huán)的配置分為自動(dòng)調(diào)整與與交互式調(diào)整兩種。 交互式調(diào)整界面見圖12。 在運(yùn)動(dòng)軌跡選擇方面，該軟件提供了階躍步調(diào)試（Position Step）、速度拋物線調(diào)試（Parabolic Velocity）、正弦掃面模式（Sine Sweep）等多種調(diào)試模式。 PID 各參數(shù)的意義及功能見表1。

圖12 交互式PID 配置界面

表1 PID 參數(shù)及意義

PID 調(diào)節(jié)的過(guò)程如下：

（1）首先，查看系統(tǒng)的開環(huán)特性。 點(diǎn)擊開環(huán)特性測(cè)試 “Open Loop Test”， 確保電機(jī)設(shè)置的正確性；“Open Loop Magnitude”參數(shù)為開環(huán)量所需的模擬量輸出值，對(duì)應(yīng)速度環(huán)的速度或力矩環(huán)的出力，不應(yīng)太大，一般在1～5 范圍內(nèi)，本次調(diào)試將其設(shè)置為3；“Open Loop Time”參數(shù)為開環(huán)測(cè)試時(shí)間，其設(shè)定值太大會(huì)超過(guò)行程、設(shè)定值過(guò)小則運(yùn)動(dòng)不起來(lái)，此次調(diào)試將其設(shè)置為100。

（2）接著，調(diào)整PID 參數(shù)。點(diǎn)擊“INTER”按鈕，在PID 參數(shù)中分別設(shè)置Kp=2000、Kd=1851、Ki=2000；運(yùn)動(dòng)軌跡選擇階躍響應(yīng)“Position Step”；“Step Size”為運(yùn)動(dòng)步大小，設(shè)置為1000；“Step Time”為運(yùn)動(dòng)步時(shí)間，設(shè)置為500；點(diǎn)擊“Do A Step Move”會(huì)顯示電機(jī)的響應(yīng)曲線。 PID 參數(shù)設(shè)置界面見圖13。

圖13 初始PID 調(diào)整參數(shù)設(shè)置

PID 調(diào)整后的脈沖響應(yīng)曲線如圖14 所示，縱軸代表電機(jī)響應(yīng)位置，橫軸代表響應(yīng)時(shí)間。

圖14 PID 調(diào)整脈沖響應(yīng)曲線

可看出，圖14 的比例偏小。 分別增大比例系數(shù)為Kp=3000、Kp=5000、Kp=8000、Kp=10 000， 得到的響應(yīng)曲線見圖15。 可看出，當(dāng)Kp=10 000 時(shí)，實(shí)際響應(yīng)曲線已與指令脈沖曲線重合。

圖15 不同Kp 值的脈沖響應(yīng)曲線

分別改變運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為S 曲線、正弦波和正弦掃描波，得到的響應(yīng)曲線見圖16～圖18。 可看出，不同運(yùn)動(dòng)軌跡激勵(lì)的響應(yīng)曲線的實(shí)際響應(yīng)曲線與指令脈沖曲線都能很好的吻合，完全滿足要求。

圖16 三角波脈沖響應(yīng)曲線

圖17 正弦曲線脈沖響應(yīng)

圖18 正弦掃描波響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

（1）分析了電火花成形加工脈沖電源對(duì)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了電火花成形加工自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行方案，確定了基于PMAC Clipper 運(yùn)動(dòng)控制卡的電火花成形加工脈沖電源運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

（2）對(duì)電火花成形加工脈沖電源控制系統(tǒng)所用硬件設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)化分析與設(shè)備選擇， 并對(duì)PMAC Clipper 主卡及其擴(kuò)展卡的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，建立了基于PMAC Clipper 運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)。

（3）對(duì)電火花成形加工所用執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型和介紹，利用PANATERM 軟件調(diào)試了電機(jī)，確定了電火花成形加工電源所需控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)， 完成了電機(jī)的試運(yùn)行； 利用PMAC Clipper 卡及PMAC TurningPro2 軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行了PID 調(diào)節(jié)。

（4）研究了電火花加工伺服調(diào)整的基本原理與控制方法， 分析了極間電壓與放電距離的關(guān)系，設(shè)計(jì)了間隙電壓檢測(cè)電路，并以檢測(cè)電路與PID 控制算法為依據(jù)，設(shè)計(jì)了電火花加工脈沖電源控制系統(tǒng)的控制策略與實(shí)現(xiàn)算法。