直线电机伺服系统PID控制的研究

直线电机伺服系统PID控制的研究摘要：文章使用传统的PID技术，设计出控制直线进给伺服控制系统中位置的PID控制器。建立了直线电机的数学模型和直线伺服系统的仿真模型，利用Matlab／Simulink对系统进行仿真，仿真和实验结果表明，采用PID控制能够有效的抑制暂态和稳态下的推力脉动，对于负载扰动具有较强的鲁棒性。关键词：直线电机；PID控制；鲁棒性0引言到目前为止，PID控制仍然是应用最广、最基本控制方式。计机技术的不断发展为数字化控制技术提供了良好的物质基础，由于计算机具有运算速度快、精度高、存储容量大，编程灵活及很强的通信能力等特点，广泛应用于各种工业控制中。特别是近年来，由于微处理器技术的进步及其成本的降低，为数字控制技术提供了强有力的工具㈣阻51。在本课题研究的直线进给伺服控制系统中，位置伺服扮演着重要的角色。位置定位的精确性、系统响应的快慢直接影响着整个系统的性能和效率。对于直线电机的控制要求很高，合适的控制算法能很好的适合伺服控制的要求。传统控制策略采用的就是PID控制，直线电机控制系统的核心是DSP芯片，它可以对光栅尺所反馈回来的位置误差信息进行处理，再进行PID运算及做相应的调整，1直线永磁同步电机数学模型的建立直线永磁同步电机具有高推力强度、低损耗、小电气时间常数、响应速度快等特点，特别是其优良的定位精度与超高速运动，使其广泛应用于微机电系统、数控机床等高精度、高速、微位移控制的场合，在直线式交流伺服系统中具有很好的发展前景。永磁同步直线电机采用矢量解耦控制方法，矢量解耦控制算法的主要思想是：通过矢量变换消除励磁控制回路和推力控制回路之间的耦合，使两个控制回路可以分别独立受控。矢量控制的一种特殊情况是控制d轴电流为零(id=0)，此时，在d轴方向上就只有永磁体产生的磁通，这种情况就是磁场定向的一种特殊情形。通常，永磁同步直线电机在恒推力运行区间均采用这种控制方式。当然，有时为了扩展调速范围需要进行弱磁控制，而使id≠0。在推导中，我们假设在以下理想的条件下，我们建立永磁同步直线电机的数学模型：(1)忽略铁芯饱和；(2)不计涡流和磁滞损耗；(3)动子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；(4)反电动势是正弦。机械运动方程：qffeiKBvdtdvMFFq轴电压方程dtdiLiRvuqqqqfq推力系数方程：ffk位移方程：vdts上式中qi为动子q轴电枢电流，f为永磁体有效磁链，qL为动子q轴电感，qR为动子电枢电阻，qu为动子q轴电压；v为动子线速度，eF为电磁推力，fF为负载阻力，M为电机动子质量，B为粘滞摩擦系数，为极距，fk推力系数，s为位移。2直线电机直接驱动伺服系统的控制在传统的机电装置中，实现运动控制功能需要针对具体的装置设计专用的硬件和软件，通用性不强。作为开发者而言，需要花大量时间研制底层的电机控制电路和软件，开发效率极低。特别不适合运动控制的研究和实验需求。而在对性能要求非常高的高精数控设备上，如果单凭微型计算机负责所有的运动控制过程，将远远不能实现高动态性能的运动。因此，内嵌高性能微处理器(如：DSP)及大规模可编程器件(如：CPLD、FPGA等)的运动控制器为实现运动控制提供了一个通用平台，在此平台上可以方便地实现对运动控制方面的研究。而“计算机+运动控制器+伺服电机”的开放式结构是现代运动控制的发展趋势。其中，计算机的主要功能是根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制。而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制器就是根据上层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机的运动。运动控制器是运动控制系统中核心部件，对于高速高精的运动控制研究是不可缺少的。本文针对数控机床的运动特点，采用“计算机+运动控制器+伺服电机的开放式结构。这样，研究的主要内容简化成进行控制器和电机等硬件系统集成、实现控制算法的应用程序，给运动控制器发送相应的速度、位置指令，实现机电装置所需要的运动功能。这样，通过运动控制器，避免复杂的电机控制方面的硬件和软件设计，可以将精力集中在适合于高速高加速度场合的控制算法的开发。由于直线电机进给系统取消了中间传动环节，只能采用闭环控制，才能满足控制精度的要求，系统采用增量式直线光栅作为位置检测装置。本文的直线电机直接驱动伺服系统还是采用传统的三环控制结构，分别为为位置调节、速度调节和电流调节三部分。直线电机直接驱动伺服系统通常由位置控制器、交流伺服调速系统、直线伺服电机及工作台、反馈装置组成。直线电机伺服控制系统的基本结构示意图如1所示。系统输入为上位机发送的位置指令，输出为直线电机的位移。系统的基本工作过程为系统给定的位置命令信号与检测反馈电路测定的当前位置信号相比较求得位置偏差信号，再经位置校正环节处理后作为速度回路的给定信号，其和实际速度相比较得到速度偏差，经接口电路转换放大成为控制速度的给定信号，速度给定信号同速度反馈值比较后转换为电流给定信号，电流给定信号经过电流环调节后成为驱动直线电机的电流，直线电机通电，电磁转换产生推力来推动工作台及负载运动。位置调节器位置反馈直线电机传动及位移测量装置速度反馈电流反馈速度调节器电流调节器指令输入图直线电机进给伺服系统基本结构示意图这里的闭环控制采用偏差控制，它可以补偿反馈回路的系统误差、机械传动系统的传动误差和控制电路的误差，但不能补偿由负载变化等引起的随机误差。因此闭环系统的实际定位精度主要取决于检测反馈装置的精度，而与控制电路、机械传动没有直接的关系。由于机械传动部件被包括在控制环内，工作台的质量、负载质量、摩擦特性、刚度等非线性因素，对伺服系统的静态、动态及稳定性都会产生一定的影响。因此在设计和分析系统时，必须综合考虑上述因素，以期获得良好的系统整体性能。本课题运动伺服系统采用的是一种开放式位置伺服控制单元，其基本位置控制算法为P．PI控制。针对运动伺服系统的各个环节，位置调节器采用常规的传统比例校正(P)环节、速度调节器采用比例积分(PI)控制。这样构成运动伺服系统的位置伺服控制，主要用于增加系统的增益和响应速度，可以增加系统的低频增益，以减小稳态误差。其中，速度调节器的输出有一个低通滤波器。它的作用是消除调节器输出中由于干扰引起的高频杂波信号，以提高速度信号的稳定性。对于电流调节，在直线电机伺服系统的实际运行过程中，由于输入信号是数控装置输出的插补位置指令，每个插补周期输出的位置指令值都很小，电流环的输出电流常常达不到饱和值，为了分析方便，可以不考虑这个环节。直线电机直接驱动伺服系统的控制如下图所示。图中，K。为位置调节的比例参数：Kpv和Tv分别为速度调节的比例和时间参数；Ti为一阶滤波时间参数；Kpi为电流反馈系数。