基于PID控制交流伺服系统设计与实现.docx
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基于PID控制交流伺服系统设计与实现
1绪论
1.1课题背景及研究意义
自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。
模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。
传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的；步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，PWM调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题[1]。
开放式数控系统是一项起步不久的新技术，是当今数控技术发展的趋势。
自80年代末开放式数控系统的概念出现以来，至今基本形成了3种类型的结构：
在专有系统中简单的嵌入PC技术；运动控制器以PC插件的形式插入到PC机扩展槽；完全采用以通用PC为硬件平台的全软件型数控系统[2]。
实践表明，虽然全软件型数控提供了高度开放的体系结构，但由于操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等一系列问题，其系统实现技术还处于研究和实验阶段。
随着计算机集成制造技术的迅猛发展，开放化、集成化与模块化已成为数控系统的重要特性。
开放式数控系统具有良好的软硬件重构特性，更能有效地满足当今市场的需求，已成为数控系统发展的主要趋势。
PC机+可编程运动控制器作为开放式数控系统的一种，它支持用户的开发和扩展，具有上、下两级开放的特性，结合PC机友好人机界面和可编程运动控制器强大的控制计算能力，更能弥补单一模式在开放式数控系统设计中的不足[3.4]。
P（比例）I（积分）D（微分）调节是自动控制系统中最早产生的一种方法，自20世纪40年代美国布朗仪表公司推出PID气动调节器以来，PID控制器在工业生产控制中的应用已有几十年的历史。
PID调节控制简单且效果显著，它不需用具体的数学模型，而是只调整P、I、D三个参数使系统达到较好的输出能力即可。
PID调节器可以实现智能化是因为PID调节器比较完整地模拟人工的粗调、精调和提前调的动作，而PID调剂的鲁棒性[5]则是在一个交宽范围内变化[6]。
本文在PMAC中引入PID调节，以获得良好的稳定性能和动态性能。
本设计主要通过伺服控制系统驱动试件，实现瞬间加速、试件运动轨迹及运动位移的控制，以模拟试件的飞行环境，进行地面模拟加载试验，以便检测试件的工作性能。
1.2伺服控制系统国内外发展现状
伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：
第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统[7]。
第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。
在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好[7]。
第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机[7]。
1.2.1国外伺服控制系统发展状况
自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。
有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。
“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。
如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性[5]的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别[8]。
在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSystem串行实时通信系统）接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。
最初加入SERCOS工作组的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等几家公司。
到了1994年，SERCOS成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并作为IEC61491标准获得通过，因此具有开放性，迄今成员已增加到70多个公司。
与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为2/4/8/16Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。
CAN（controllerAreaNetwork）用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。
虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发，迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。
目前已能满足在2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。
SERCOS为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。
力士乐Indramat公司在1999年之所以占据北美伺服驱动市场10.5%的份额、位居第一位，一方面是该公司在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另一个主要因素是承诺开放结构——SERCOS[9]。
轻质（如铜、木材、铝合金等）、复合材料在汽车、家电、AF业中的大量使用，对高速、高效加工提出了新的要求。
为了适应这一需求，一些工业发达国家相继推出直线电机、高速主轴电机，而且付诸实用。
对于直线电机而言，其控制技术与传统的交流伺服电机相差不多，但由于直线电机本身没有转子等转动体，因而本身惯量小，所以具有高动态响应性，而检测元件直接安装于机械一侧，从而检测工作台的位移，也避免了旋转电机在方向改变时所存在的换向间隙，满足了高速、高精密加工对伺服驱动系统的要求。
从IMTS’2000展览会来看，一些工业发达国家在高速加工技术方面处于领先水平，IBAG公司已向业界提供0.125～185kW，最高转速为14，000r/min的系列化高速内装式主轴系统，径向、轴向重复精度小于1µm，电机轴承有混合陶瓷轴承、液静压轴承、磁浮轴承三种，采用水管冷却，且内置位置传感器供加工中心ATC之用。
主轴驱动采用矢量变频技术，已在模具加工、高精密电极加工、铝质零件加工、高精度磨削加工等领域广泛应用，Fisher公司也有类似产品。
1.2.2国内伺服控制系统发展状况
我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。
80年代，我国曾花巨资引进国外的伺服驱动技术。
但由于其引进的技术属淘汰的落后技术，自主消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。
惨痛的历史教训使我们明白了一个硬道理：
对于伺服驱动这样的战略高技术，靠花钱引进根本办不到，盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人，唯一的出路，就是走自主创新之路。
目前，我国已部分掌握伺服驱动装置及伺服电机的设计制造技术，形成了一定的产品系列和自主配套能力，但产品性能、可靠性方面，与国外产品还存在一定差距。
特别是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面，与国外名牌企业仍存在较大差距，已成为制约我国发展中高档数控系统产业的“瓶颈”。
国外品牌占据了中国交流伺服市场85％左右的份额，他们来自日本、德国和美国。
国外品牌的主要劣势在售前、售后服务，昂贵的服务和维修成本和维修周期让国内用户难以接受[10]。
1.3课题主要研究内容
在基于PID控制的交流伺服系统中，涉及很多的控制技术。
它包含机械、电子、电动机、传感器等各部件，并涉及了强电和弱电的控制，是一个较复杂的控制系统。
因此说一个良好控制系统，是保证系统精度和性能的基础，运动控制器一直是交流伺服控制中的核心部分，一直是研制任务中关注的重点。
本文的主要内容包含以下几个部分：
第1章说明了课题的研究背景意义和目的，指出了数控系统重要作用，研究了国内外伺服控制系统发展的状况，明确了伺服控制技术在工业制造中的重要作用，突出了本文的研究目的和意义。
第2章给出了系统的总体设计方案。
制定了较详细的控制方案，并给出系统框图，介绍了模拟、数字PID控制算法及PMAC卡中PID+前馈速度/加速度算法。
第3章设计了控制系统的硬件。
整个硬件系统分：
上位PC机、可编程多轴运动控制卡PMAC、转接板、伺服驱动器、交流伺服电动机组成的硬件平台。
分别介绍了各个部分系统组成，级联和控制流程，以及设备的选型和技术参数指标。
第4章对控制系统的软件部分进行了研究。
对可编程多轴控制器PMAC的编程软件、参数整定过程和基本指令进行了详细介绍，给出了PMAC的中的PVT运动控制程序和上位机控制程序。
最后分析了实验结果，计算实验误差，总结了本设计的优点和不足。
2交流伺服系统的总设计方案
2.1任务要求
学习PID控制理论和交流伺服系统的设计，选择伺服电机及驱动器，画出电气连接图，实现试件的运动轨迹和速度控制；对PID参数进行整定，满足系统的控制要求；编写控制程序，实现试件的运动轨迹和角位移、速度控制，要求试件在100毫秒内转动90°，控制精度达到±5%。
2.2伺服系统设计方案
在本设计中虽然要求试件在100毫秒内转动90°，这只是一般情况下电机已经稳定转动起来时的情况，由于本设计应用于军事仿真导弹在高速下的性能，故应考虑转台在瞬间加速、减速及加速度要很大的问题。
根据实际情况分析，要求转台在50毫秒内瞬间启动并达到最高角速度，如图2.1所示，阴影区为在100毫秒内的90°角位移，则电机在0~50毫秒内的平均角加速度为1000rad/s2，电机在50毫秒内转动了0.9375转，平均转速为18.75r/s（即1128r/min）。
可想电机的瞬时角速度应该比1128r/min大的多，瞬时角加速度比1000rad/s2大的更多，就要求电机应具有非常大的瞬时加速度[12]。
转台理论角速度规律如下图2.1所示：
图2.1转台理论角速度规律[11]
2.2.1电机的选择
方案一：
选用步进电机。
运动控制卡对步进电机驱动器发出脉冲控制信号，实现对工作转轴的控制。
步进电机优缺点：
优点：
电机旋转的角度正比于脉冲数；电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；优秀的起停和反转响应；由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；仅仅将负载直接连接[13]。
缺点：
1.如果控制不当容易产生共振；2.难以运转到较高的转速。
在本设计中，对电机转速要求很高，且试件运动位移应是一个连续的运动规律。
而步进电机在转速上限制很大，达不到本实验所要求的转速，且步进电机的运动不是连续转动的，故本设计中的电机不能使用步进电机。
方案二：
选用直流伺服电机。
直流伺服电机优缺点：
优点：
精确的速度控制，转矩速度特性很硬，原理简单、使用方便，价格便宜。
缺点：
电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（对于无尘室）。
直流伺服电机最突出的特点是价格优势，但它同样在速度上有限制，故也不能采用直流伺服电机。
方案三：
电机选用交流伺服电机。
工控机先给出位置指令，再通过运动控制器按指令发送信号给伺服电机驱动器，最后驱动交流伺服电机转动。
交流伺服电机优缺点：
优点：
1.良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；2.高效率，90%以上，不发热；3.高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）；4.额定运行区域内，实现恒力矩；5.低噪音，没有电刷的磨损，免维护；6.不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境[14]。
缺点：
1.控制较复杂2.驱动器参数需要现场调整PID参数整定，需要更多的连线。
与步进电机、直流伺服电机比较，交流伺服电机能满足本设计中试件高速旋转的要求。
美国丹纳赫传动公司的AKM52K交流伺服电机具有非常高的扭距、密度和加速度，能够满足高速设备的要求，所以本设计中选用该电机。
2.2.2运动控制卡的选择
运动控制卡是基于PCI总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。
脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差[15]。
数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。
库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。
运动控制卡基于以太网总线、PCI总线、PC104总线的高性能步进/伺服电机运动控制卡，广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。
比较常用的运动控制卡有：
深圳众为兴数控技术有限公司的Adt运动控制卡、深圳固高GM-400运动控制卡、摩信公司的运动控制卡、美国DeltaTau公司的PMAC运动控制卡等。
上述控制卡均可实现多轴控制，通过其可实现控制由电机驱动器的多轴的位置、速度和插补[16]。
比较而言，美国DeltaTau公司的PMAC运动控制卡的优越性能更为突出，是目前功能最为强大的运动控制器之一。
PMAC控制器的独特功能：
ⅰ、仿真运行。
通过对PMAC有关地址的更改，就可实现对程序的仿真运行，而传统的数据系统需要在上位机上开发仿真软件。
ⅱ、中断功能。
PMAC上有PLC，可向主机请求中断，用实时控制。
ⅲ、位置检测。
PMAC由硬件电路完成，只有二十几毫秒。
ⅳ、位置随动。
可作一对多的随动，并可实时修改跟随比。
ⅴ、高分辨率的控制信号。
PMAC具有16为DAC输出[17]。
综上所述，本设计中选用PMAC为运动控制卡，交流伺服电机为工作电机，据此可选用相应的驱动及传动装置。
2.3PID控制算法
在实际工程应用中，比例、积分、微分调节是控制器中应用最广泛的调节方式，被称为PID调节或是PID控制。
PID控制算法应用十分广泛，在工业控制系统中将近占有百分之九十的比例。
其中主要是因为PID控制器机构简单，有较好的系统稳定性，能够可靠工作，调节方便。
PID控制器的原理就是根据比例、积分、微分三者的函数关系进行运算把运算结果作为控制量，进行调节控制系统偏差。
在计算机控制系统中，将PID控制器的功能用软件来实现，就可在上位机灵活修正PID控制算法，在线进行PID参数整定，使系统达到理想效果[18]。
2.3.1经典PID控制算法
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
模拟PID调节器系统组成图2.2所示：
图2.2模拟PID调节器[19]
PID调节器的微分方程：
（式2.1）
式中
，
PID调节器的传输函数：
（式2.2）
PID调节器各校正环节的作用：
ⅰ、比例环节：
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
ⅱ、积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。
ⅲ、微分环节：
能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间[20]。
将模拟PID控制规律进的离散化，得到离散的PID模型：
（式2.3）
式中
称为比例项
称为积分项
称为微分项
PID算法的两种类型：
位置型控制：
（式2.4）
增量型控制：
（式2.5）
2.3.2PID+速度/加速度前馈+Notch滤波算法
PMAC运动控制卡为了提高系统的定位精度，减小定位误差，为用户提供了目前伺服过滤器最常采用的PID+速度/加速度前馈+Notch滤波的控制环算法。
该算法功能十分强大而且很容易理解和调整，可以为绝大多数的工业控制系统提供优良的控制。
PID反馈滤波器由比例（P）、积分（I）、微分（D）参数构成，每个参数都有相应的功能，尽量使每个参数都调节到最佳值[21]。
其控制结构原理图如图2.3所示：
图2.3PID+速度/加速度前馈+Notch滤波[22]
表2.1PID参数及释义：
阐明释义
范围
默认
Kp
Ix30
比例增益
-8388607..8388607
2000
Kd
Ix31
微分增益
-8388607..8388607
1280
Kvff
Ix32
速度前馈
0..8388607
1280
Ki
Ix33
积分增益
0..8388607
0
IM
Ix34
PID积分模式
0..1
1
Kaff
Ix35
加速度前馈
0..8388607
0
N1
Ix36
Notch滤波器参数
N2
Ix37
D1
Ix38
D2
Ix39
Ix68
摩擦前馈
-32768..32768
0
Ix69
最大DAC输出设定
0..32768
20480
Ix29
DAC偏置
-32768..32768
0
图中的Kp:
比例增益（Ix30）、Ki:
积分增益（Ix31）和Kd:
微分增益（Ix33）是可编程多轴控制器PID控制算法中的三个基本反馈增益控制参数，分别用来控制系统刚性；消除稳态误差；保证系统稳定提供所需要的阻尼。
Kaff:
加速度前馈增益（Ix35）和Kvff:
速度前馈增益（Ix32）是前馈增益控制参数，这两个参数是用来为了减小系统中引入的跟随误差。
上面这些参数值都可以在调试软件PMACTuningPRO中进行设置调节[23]。
由图可推导出PMAC实际的PID/前馈算法：
DACout（n）=2-19*Ix30（（Ix08*（FE（n）+（Ix32*CV（n）+Ix35*CA（n））/128+Ix33*IE（n）/233））-Ix31*Ix09*AV（n）/128）（式2.6）
其中，DACout（n）为16位的伺服周期输出命令（-32768到+32767），它被转换为-10V到+10V的输出，其值由Ix69定义；lx08为电机x的一个内部位置放大系数（通常设为96）；Ix09为电机x速度环的一个内部放大系数；FE（n）是伺服周期n内所得最随误差，即为该周期内指令位置与实际位置的差值（CP（n）-AP（n））；AV（n）是伺服周期n内的实际速度，即为每个伺服周期最后2个实际位置的差值（AP（n）-AP（n-1））；CV（n）是伺服周期n内的指令速度，即为每个伺服周期最后2个指令位量的差值（CP（n）-CP（n-1））；IE（n）是伺服周期n的跟随误差的积分。
在PMAC控制器闭合活动电机的效字伺服环时，它会根据以上参数每个周期内的变化产生一个使电机的实际位置逼近所要求的位置的输出值，从而保证其控制精度[24]。
由于本实验系统对位置控制的精度和快速性要求较高，随着比例增益调高到一定程度是系统会振荡和啸叫[25]。
如果出现这种情况，在系统的控制算法中加入陷波滤波器是提高系统抗谐振能力较好的办法。
在反馈控制中，陷波滤波器是用于抵消共振的影响的防谐振滤波器。
提供的陷波滤波器形式为：
（式2.7）
公式中，分子N（z）为带阻滤波器，分母D（z）为带通滤波器，其作用是为了减小滤波器本身的高频增益，使其通频带高于共振频率。
n1、n2、d1、d2是PMAC控制器提供的Notch滤波器所涉及的一些参数，PMAC使用四个变量指定整个陷波滤波器系统:
两个（Ix36（n1）和Ix37（n2））是带阻滤波器参数两个（Ix38（d1）和Ix39（d2））是带通滤波器参数。
陷波滤波器参数Ixx36~Ixx39是24位变量，1个符号位，1个整数位，22位小数位，提供范围为-2.0至+2.0[26]。
通过PMAC的执行程序PMACTuningPro用户可以很简单的设置陷波滤波器，不需要理解陷波滤波器是如何工作的。
最简单的方法是输入你想控制的机械振动频率，执行程序将会自动的计算出带阻和带通滤波器参数下载到PMAC中，如果不需要自动计算，也可以手动输入这些参数。
2.4伺服系统的构成
该伺服系统主要由工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、传动装置和负载工作平台等机构组成。
其中运动控制卡和伺服驱动器是本系统的核心部分。
系统组成如下图2.4所示：
图2.4系统组成
该系统通过上下位软件实现各种运动控制功能。
通过旋转变压器实现位置反馈，形成闭环控制。
上位机监控程序可对伺服电机进行运动控制，通过传动机构，实现试件的速度、位移和运动轨迹控制。
伺服电机的转轴上安装夹具，固定钢丝绳。
另外一端是转盘，把钢丝绳一端缠绕在圆盘上。
试件固定在圆盘上，伺服电机转动后，通过钢丝绳传动，控制试件在一定的时间内转到指定位置，实现速度控制、位置控制、运动控制等。
系统框图如图2.5所示：
图2.5伺服系统结构框图
3伺服系统硬件设计
伺服控制系统由上位PC机IPC610、可编程多轴运动控制卡PMAC、转接板、伺服驱动器丹纳赫S620、交流伺服电动机丹纳赫AKM52K和工作平台组成，本章分五个小节介绍各部分系统硬件组成及器件选型和技术参数。
系统框图如下图3.1所示：
图3.1系统框图
伺服运动控制器选择DeltaTau公司生产的控制卡TurboPMAC的PCI精简板，主控芯片是32位浮点运算处理器DSP芯片，通过PCI总线与计算机相连，与伺服驱动器之间采用RJ45连接器进行连接，可以实现的100Mbps实时数据通信，通过以太网可以实现位置、速度、加速度等信号的远程数据传输。
伺服驱动器选择丹纳赫数字伺服放大器S620，内部包括三个控制回路，从内到外依次是电流环、速度环、位置环。
电流环和速度环的作用是提高系统的刚度从而抑制系统的非线性及外部扰动，系统的精度依靠位置环来保证。
由于交流伺服电机驱动器已经将电流环和速度环封装好，因此我们只需要给出位置环的输入量从而进行位置闭环控制即可。
伺服电机选择丹纳赫公司的伺服电机AKM52K，自带旋转变压器，可以检测出伺服
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