程立龍

(江蘇萬隆車業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

隨著電氣自動(dòng)化的發(fā)展，測試轉(zhuǎn)臺作為我集團(tuán)測試系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)扮演者越來越重要的角色，轉(zhuǎn)臺的定位精度、速率精度和速率的平穩(wěn)性將直接影響到測試的效果，所以進(jìn)一步提高測試轉(zhuǎn)臺的定位精度具有一定的研究價(jià)值[1-2]。

目前，工程師仍然廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)PID控制方法，但該控制策略很難處理系統(tǒng)的不確定性影響。在實(shí)際轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中，由于存在機(jī)械系統(tǒng)的剛度、摩擦力矩、風(fēng)負(fù)荷導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，這些非線性因素的存在導(dǎo)致無法建立轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，此時(shí)常規(guī)PID控制系統(tǒng)很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的要求[3]。文獻(xiàn)[4]采用遺傳算法，它在不需要給出初始比例系數(shù)和積分系數(shù)的情況下，能尋找到合適的參數(shù)使得控制目標(biāo)滿足要求。文獻(xiàn)[5]采用模糊控制算法，它將工程師長期積累的工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)知識采用人工智能算法形成控制規(guī)則模型，然后運(yùn)用推理實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的最優(yōu)化調(diào)整。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于多速率采樣理論的前饋方法，實(shí)現(xiàn)了理想狀態(tài)對期望狀態(tài)在理想條件下跟蹤誤差為零。文獻(xiàn)[7]提出了卡爾曼濾波和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法。上述這些方法需要求解高階矩陣，軟件實(shí)時(shí)處理難度大，對系統(tǒng)的硬件要求高，工程實(shí)現(xiàn)較困難[8-10]。

為了提高轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的定位精度，本文提出了一種基于前饋補(bǔ)償和傳統(tǒng)PI相結(jié)合的復(fù)合控制策略，通過前饋的方式實(shí)時(shí)補(bǔ)償由于外界條件變化引起的誤差，通過仿真和試驗(yàn)表明，本文提出的復(fù)合控制策略有效提高了轉(zhuǎn)臺的定位精度。

1 轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺由控制計(jì)算機(jī)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速機(jī)、控制器、觸摸屏、多圈絕對值編碼器等組成。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出定位指令或者觸摸屏發(fā)出定位指令時(shí)，控制器接受其定位指令，經(jīng)過計(jì)算后控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)把轉(zhuǎn)臺運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的位置上。其中編碼器作為轉(zhuǎn)臺位置檢測裝置與上位機(jī)指令形成位置環(huán)閉環(huán)控制。而位置環(huán)是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，位置環(huán)應(yīng)該能快速響應(yīng)系統(tǒng)的位置指令且無超調(diào)量。在工程中軟件人員一般采用傳統(tǒng)PI控制位置環(huán)，而速度環(huán)和電流環(huán)采用常規(guī)PI在驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行處理。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)原理圖

伺服控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。伺服控制器的核心是FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部通過上百萬個(gè)邏輯單元完成硬件實(shí)現(xiàn)，具有并行處理的能力，運(yùn)算速度較快，同時(shí)采用SOPC技術(shù)在一塊Cyclone II FPGA中實(shí)現(xiàn)一個(gè)32位的可配置軟核——NIOS II核，它負(fù)責(zé)接收編碼器的反饋角度并完成對引導(dǎo)指令和編碼器的反饋角度作PID運(yùn)算?；诳煽啃院途鹊目紤]，控制器通過CAN總線將控制命令傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

2 復(fù)合控制設(shè)計(jì)

一個(gè)PI控制器由比例、積分和微分控制器組成，描述了誤差信號是如何被放大，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)合適的電機(jī)響應(yīng)來減小這個(gè)偏差，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PID前饋補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償控制器為:

(1)

總控制輸出為PID控制輸出加上前饋控制輸出

u(t)=up(t)+uf(t)

(2)

寫成離散形式為:

u(k)=up(k)+uf(k)

(3)

對于轉(zhuǎn)臺定位系統(tǒng)中總是存在一個(gè)位置跟蹤誤差，而前饋控制的目的就是通過預(yù)見系統(tǒng)將來的行為，提前向控制系統(tǒng)中傳遞預(yù)期的誤差，使跟蹤誤差最小。本文利用這種前饋控制的理念，針對傳統(tǒng)PI控制設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的跟蹤性能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前饋PI原理圖

轉(zhuǎn)臺工作過程中，每當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)、停止以及產(chǎn)生外界干擾時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng) PID運(yùn)算的誤差積累增大，以致引起系統(tǒng)的振蕩。此時(shí)引入前饋控制，可以減小平均跟蹤誤差，這樣傳統(tǒng)的PI控制器僅需修正殘余的誤差，便改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的控制精度。

3 仿真與分析

在MATLAB/Simulink中建立永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)選擇如下：定子繞組 為0.875 ；直軸電感Ld為8.5 H ；交軸電感Lq為8.5 H ；轉(zhuǎn)子永磁鏈f為0.175 Wb;極對數(shù)np為4；位置環(huán)kp為120；位置環(huán)ki為2；仿真時(shí)間為900 ms,在電機(jī)速度為0，且無外部干擾時(shí)記錄電機(jī)的定位誤差，其仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)PI定位誤差

圖5 前饋PI定位誤差

從圖4可以看出傳統(tǒng)PI控制定位偏差的絕對值大于0.03°，圖5中前饋PI控制器定位偏差的絕對值小于0.03°，說明前饋PI能夠在一定程度上克服系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)影響，具有良好的魯棒性。

4 試驗(yàn)與分析

本文選擇XZTA214型一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，額定轉(zhuǎn)速18 840 rad/min，額定轉(zhuǎn)矩0.32 N·m，額定功率0.1 kW，額定電流3.5 A、減速器采用APEX公司的AB042-006-P1-S1型精密行星減速器、動(dòng)力齒輪減速比27:112、數(shù)據(jù)齒輪減速比1:4、編碼器采用SICK公司的多圈絕對值編碼器來記錄轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)位置。

圖6 試驗(yàn)平臺

圖7 觸摸屏顯示界面

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位效果，試驗(yàn)從0°開始，間隔30°分別測試傳統(tǒng)PI和前饋PI的定位誤差，其結(jié)果如表1、圖6、圖7所示。

通過表1可以看出，前饋PI控制器定位誤差小于傳統(tǒng)PI控制器定位誤差，前饋PI控制器可以有效克服電機(jī)啟動(dòng)、停止以及產(chǎn)生外界干擾對轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的影響，其定位精度和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性能滿足轉(zhuǎn)臺的工作性能指標(biāo)。

表1 PI控制與前饋PI控制定位誤差對比

5 結(jié)束語

結(jié)合伺服驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，提出了一種復(fù)合控制算法，并從理論上分析了此算法的可行性，通過仿真與試驗(yàn)得出：與應(yīng)用傳統(tǒng)的PI算法相比，在轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，智能PI復(fù)合控制算法大大提高了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定精度，具有良好的魯棒性和工程應(yīng)用價(jià)值。