王占領(lǐng)，白海清

(陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中 723003)

運(yùn)動(dòng)控制卡是刀具刃磨中心控制系統(tǒng)的核心部件。系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，Tubro PMAC2 PCI 直接插入IPC 的PCI 總線插槽形成主從式結(jié)構(gòu)，PMAC2 完成對伺服軸的控制以及檢測，工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的管理功能，編碼器、電機(jī)、光柵等硬件裝置通過軸轉(zhuǎn)接板ACC-8P 與主卡連接，從而形成了刀具刃磨中心控制系統(tǒng)的硬件部分。為了使刀具刃磨中心獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，必須對連接好的系統(tǒng)控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整和校正。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，PID 控制算法一直起著非常重要的作用，而數(shù)字PID 具有控制準(zhǔn)確、實(shí)現(xiàn)方便等特性，正越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代控制系統(tǒng)。通過對數(shù)字PID 控制算法的運(yùn)用，利用PMAC2 參數(shù)調(diào)整軟件Pewin32 PRO2 對系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。

1 PMAC2 中PID

1.1 PMAC2 中PID 控制原理

PMAC2 作為一個(gè)全數(shù)字伺服系統(tǒng)，由軟件通過調(diào)節(jié)PID 參數(shù)實(shí)現(xiàn)對位置、速度和電流的控制，同時(shí)在控制過程中引入了具有回饋和前饋復(fù)合控制的數(shù)字控制體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差以及外界擾動(dòng)引起的誤差，可以滿足大部分場合的要求。PMAC2 伺服控制算法原理如圖1 所示。

圖1 PMAC2 PID+陷波伺服濾波器

1.2 PMAC2 中PID 參數(shù)調(diào)整

PMAC2 型運(yùn)動(dòng)控制卡的PID 參數(shù)調(diào)整是通過對電機(jī)I 變量的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。在電機(jī)整定過程中涉及到的I 變量見表1。

表1 PMAC2 PID 主要調(diào)整參數(shù)

2 刀具刃磨中心數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)整定

2.1 系統(tǒng)PID 參數(shù)調(diào)整

作為線性定常系統(tǒng)中最差的激勵(lì)信號(hào)，階躍信號(hào)相當(dāng)于理想化的開關(guān)信號(hào)，如果系統(tǒng)在階躍激勵(lì)作用下能滿足要求的話，在其他激勵(lì)信號(hào)作用下基本也能滿足要求。PMAC2 通過執(zhí)行PID 參數(shù)調(diào)整程序激勵(lì)電機(jī)，采集響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)響應(yīng)曲線來調(diào)整和評估系統(tǒng)性能。在實(shí)際階躍響應(yīng)調(diào)整過程中，采用自動(dòng)+手動(dòng)的方式對系統(tǒng)的PID 參數(shù)進(jìn)行整定:

首先進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整，在PID 調(diào)節(jié)模塊下選擇需要調(diào)整的電機(jī)(以X 軸電機(jī)為例)，設(shè)定好波特率、帶寬、信號(hào)幅度、時(shí)間常數(shù)等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整;以自動(dòng)調(diào)整的結(jié)果為起點(diǎn)再進(jìn)行交互式調(diào)整，通過響應(yīng)曲線進(jìn)行分析判斷，依據(jù)前面所述的PID 調(diào)節(jié)原則，確定下一步要調(diào)節(jié)的參數(shù)及其大小;反復(fù)調(diào)整直至結(jié)果比較理想為止。系統(tǒng)X 軸的階躍響應(yīng)過程如圖2 所示。圖中cts 表示脈沖個(gè)數(shù)，下同。

圖2 (a)為系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的脈沖響應(yīng)，由響應(yīng)曲線可知:系統(tǒng)的跟隨誤差較大同時(shí)伴隨有振蕩;圖2 (b)中的響應(yīng)曲線反映出系統(tǒng)的跟隨誤差已明顯減小，需要繼續(xù)增加系統(tǒng)剛性;圖2 (c)表明系統(tǒng)存在超調(diào)振蕩，但頻率較低;圖2 (d)反映系統(tǒng)的綜合性能較好，基本能夠滿足控制要求。表2 為X軸PID 參數(shù)調(diào)整過程記錄。

圖2 X 軸階躍響應(yīng)過程

表2 X 軸PID 參數(shù)調(diào)節(jié)記錄

2.2 系統(tǒng)前饋增益調(diào)整

對于沒有前饋的伺服系統(tǒng)來說，跟隨誤差和速度、加速度是成比例的。伺服系統(tǒng)引入速度前饋和加速度前饋項(xiàng)后，可減小甚至消除系統(tǒng)跟隨誤差。PMAC2 卡通過拋物線響應(yīng)調(diào)節(jié)速度和加速度前饋。首先是給系統(tǒng)一個(gè)拋物線激勵(lì)以觀察效果，以減小跟隨誤差和相關(guān)系數(shù)為目的，從零開始增加速度前饋增益，直到比率盡可能地接近0。加速度前饋調(diào)整方法與之相似。

圖3 表示X 軸電機(jī)在不同速度前饋系數(shù)Kvff下的拋物線響應(yīng)曲線。

從圖3 (a)可看出拋物線響應(yīng)過程中速度跟隨誤差反相，主要原因是速度前饋系數(shù)Kvff過大，需要減小Kvff;從圖3 (b)可看出速度跟隨誤差過大，原因主要是阻尼的影響，應(yīng)增加速度前饋系數(shù)Kvff加以調(diào)節(jié);圖3 (c)的速度跟隨誤差基本上到最小了，并且集中在中部，沿運(yùn)動(dòng)軌跡均勻分布，是較理想的調(diào)節(jié)結(jié)果。表3 為系統(tǒng)X 軸拋物線響應(yīng)調(diào)節(jié)過程記錄，表中:tv表示速度相關(guān)時(shí)間，越小越好;Fe表示平均誤差;ta表示加速度相關(guān)時(shí)間，越小越好;Fe(M)表示最大速度跟隨誤差。

圖3 X 軸拋物線響應(yīng)過程

表3 X 軸拋物線響應(yīng)調(diào)節(jié)記錄

3 結(jié)論

影響系統(tǒng)性能的因素很多，在調(diào)整時(shí)需要綜合各方面的可能性，利用多元參數(shù)、多方法進(jìn)行調(diào)整。采用試驗(yàn)法對基于PMAC2 的刀具刃磨中心PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以較直觀地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的目的，獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

［1］吉方，張勇斌，張連，等.基于PMAC 的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(9):70 -72.

［2］朱立達(dá)，朱春霞，蔡光起.PID 調(diào)節(jié)在PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(2):50 -53.

［3］DELTA TAU Data System，Inc.PMAC2 Software Reference［M］，2004.

［4］DELTA TAU Data System，Inc.Pcomm32Pro Software Reference［M］，2004.

［5］王瑤，蘇文海，邱影.PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(20):126 -128.