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1、交流伺服电机快速准确定位的有效方法<电气自)2007年第29卷第2期伺服控制系ServoControlSystems交流伺服电机快速准确定位的有效方法EffectiveMethodsofFastandAccuratePositioningofAlternatingServoMotor武汉工程大学电气信息学院(湖北武汉430074)江卫华文小玲一竺!竺!竺曼竺!兰:!量!墨摘要:文章讲述了交流永磁同步电机位置伺服系统控制过程,分析了位置闭环系统在减速过程中易造成定位误差较大的原因,给出了分段线性减速的控制算法.利用微机强大的控制功能,实施了变结构控制思想,从而有效地提高了伺服系统的定位精度
2、,满足了实际需要.关键词:伺服电机分段减速变结构定位Abstract:ThecontroHingprocessofACpermanentmagnetsynchronousmotorpositionsystemispresented.Thereasonoflargepositioningerrorproducedindecelerationinclosedloopsystemisanalyzed.Thereisalsocontrolalgorithmofpiecewiselinear.Theideaofvariablestructurecontrolisrealizedbymeansofstro
3、ngaontrolofmicrocomputer.Thus,positioningaccuracyofservosystemisimprovedef-fectively,whichsatisfiespracticalrequirements.Keywords:s4rvomotorpiecewisedecelerationvariablestructurepositioning【中图分类号】TM921.541【文献标识码】A【文章编号】1000.3886(2007)02000603目前,伺服系统主要用于位置控制,诸如数控机床,纺织机械,激光加工等领域.伺服电机的定位精度直接影响到工件的加工质量.
4、特别是在高速加工中,一方面由于进给速度很快,必须要求各坐标轴能在高速行程中瞬问停准.另一方面,各坐标轴启停频繁.因此,缩短运动部件启停的过渡过程时间,也具有重要的意义.如何保证伺服系统在稳态误差为零的前提下,实现以过渡过程时问最短为目标的最优控制,使各坐标轴具有满足高速加工要求的准确定位特性,已成为现代数控系统研究开发中亟待解决的关键问题之一.为此,本文针对交流永磁同步电机所构成的伺服系统,分析了闭环控制过程中采用常规控制算法导致系统定位精度误差较大的原因,提出了分段线性减速并以开环方式准确定位的方法,并通过定位实验证明设计的合理性.1交流伺服电机的位置闭环系统交流永磁同步电机用于位置闭环系统
5、比其它电动机优越,它由一个单脉冲起动,而所有后续脉冲都是由安装在电机后部的光电编码器产生的,控制的目的就是要在尽可能短的时间内将给定的负载从一个点移到一个固定的终止位置.其控制器由四部分功能电路组成:一个方向检测电路,一个脉冲计数电路,一个时间延迟电路和一个阻尼电路.方向检测电路确保在电机实际运行的每一步内只有一个脉冲送入电机驱动器,并确保电机按正确的方向转动.脉冲计数电路由两个减法计数器组成:一个用于计算加减速距离;另一个用于计算总距离.延迟电路使每一个反馈脉冲延迟一个给定的时间,保证从控制器产生脉冲链传至驱动器时,不会丢失一个脉冲.阻尼电路提供两个间隔可调的脉冲.减少电机每次运行终了时转子
6、的震荡.随着电力电子和数字控制技术的发6lElectricalAutomation展,特别是采用微机进行控制,很多硬件都在软件化,而某些不可以软件化的部分又都可以集成化和模块化,因而强化了控制能力,而且可以用智能控制思想.根据对不同运行阶段的控制,一个典型的位置控制系统就可以分成四个阶段:第一阶段是运动系统升速,其中心任务就是尽力保证电机能输出起动转矩;第二阶段是稳速运行阶段,这时的主要任务是保持实际转速和给定转速一致;第三阶段是制动阶段,主要任务是尽可能保证电机输出其制动转矩;第四阶段是定位阶段,中心任务是保证系统的定位精度.它是在传统调速基础上增加位置调节器作为外环.图1是位置闭环伺服系统
7、的控制方块图:)二三竺=s)图1位置闭环伺服系统控制方块图图中,R(s)代表相应的指令位置,C(s)代表电机转过的距离.其中,当速度调节器采用PI控制时,在位置环截止频率远小于速度环截止频率时,速度环的闭环传递函数可以等效为一个惯性环节,即G2(s)=IC/(+1);电机等效为一个积分环节,即(s)=/当位置环设计成比例控制时,即Gt(s)=,则系统的闭环传递函数为:H(s)=/(+s+K,K.K)(1)这是一个二阶系统,通过调整各环参数,可以保证系统满足一定的动态特性.但从系统的开环传递函数来看,系统属于I型系统,它对斜坡函数和抛物线函数的输入都存在稳态误差,而目前在伺服系统中应用最为广泛的
8、指数函数,可以近似等效为斜坡函数,因此也存在一定的稳态误差.这时要获得较高的定位精度,需要伺服控制系统ServoControISystems对指令位置和反馈位置的误差进行累计.当位置环采用数字方式控制时,其算法如下:r(Kr)=s=DT3(iT)DT:(iT)】(2)=1式中,s为累计的误差脉冲个数;T为采样周期;Dr3为每个采样周期内获得的指令脉冲个数;为电子齿轮系数;DT:为每个采样周期内反馈脉冲个数.当输入位置不断变化时,则伺服系统的跟踪速度不断变换,此时误差s的值不断变化,并且最后把误差s里的滞留脉冲全部输出,从理论上实现无误差定位.2伺服闭环系统定位误差形成原因和克服方法从上节讨论可
9、知,伺服电机控制过程为:升速,恒速,减速和低速趋近定位点,整个过程都是位置闭环控制.减速和低速趋近定位点这两个过程,对电机的定位精度有很重要的影响.在减速过程中,无论是采用指数规律加减速算法,还是直线规律加减速算法,只要减速点选得正确,都可以实现电机减速后的精确定位.但难点是减速点的确定.在位置闭环控制系统中,减速点由软件在每个采样周期来判断:若剩余总进给量大于减速点所对应的剩余进给量,则该瞬时进给速度不变.否则,按一定规律减速.理论上讲,剩余总进给量正好等于减速点所对应的剩余进给量时减速,并按预期的减速规律减速运行到定位点停止.但实际上,闭环系统正常运转时每个采样周期反馈的脉冲数是几个,十几
10、个,几十个甚至更多,因而实际减速点并不与理论减速点重合,如图2所示:剩余进给量理论减速点实际减速点图2减速点误差示意图图中,其最大误差等于减速前一个采样周期的脉冲数.若实际减速点提前,则按预期规律降到很低时还未到达定位点,则进入低速趋近定位点的过程.假设此时速度为(mm/s),系统脉冲当量为6(Ixm),采样周期为r(ms),则每个采样周期反馈的脉冲数为:,v0=r/6.由于实际反馈的脉冲数是个整数,可能有一个脉冲的误差,即此时速度检测误差最大值为1/No=8/(Vor).采样周期越小,速度越低,则速度检测误差越大.为了满足定位精度是一个脉冲当量的要求,应使很小.如果此时仍然实行位置闭环控制,
11、必然造成极大的速度波动,严重影响伺服机构的精确定位.此时应采取位置开环控制.若实际减速点滞后于理论减速点,则到达定位点时速度还较高,系统会出现过冲现象,影响定位精度和平稳性.为此,采用分段线性减速降到一定速度后采用开环控制,可以有效地提高电机快速定位的准确性.3分段线性减速后的开环控制分段线性减速的特点是减速点不需要精确确定,减速过程速度曲线如图3所示:初始速度经AB段以加速度n:降速到,在BC段以匀速运行个采样周期,用BC这个时间段来补偿减速点A的误差.A点最大误差是对应的一个采样周期的脉冲数Nc=Vgr/速度为时一个采样周期的脉冲数为,v2=r/6,则只要保证V电气自动化)2007年第29
12、卷第2期t/T图3减速过程速度曲线=,就可以使曰c时间段来补偿减速点A点的误差.IS1理,速度经cD段以加速度n.降速到,应保证号,用DE时间段来补偿减速点C的误差.由于速度较低,假设取=10mm/s,占=1m,r=500s,则采样周期应反馈的脉冲数为N=5,此时速度检测误差最大可达20%.所以,从这段开始应采用开环控制,以避免由于速度检测误差过大而引起速度波动.速度经EF段以加速度0,o降速到,在FG段以Vo匀速运行个采样周期,直到到达定位点,To的取值应保证.设R为总剩余进给量,则RA,Rn,Rc,R.,RE,分别对应图3减速过程速度曲线A,B,C,D,E,F点所对应的剩余进给量,各点的剩
13、余进给量可由匀速段运行过程和降速段运行过程推出.设系统脉冲当量为占(um),采样周期为r(ms).通过设定的各匀速运行过程时间速度可推算出曰,D,点的剩余进给量(脉冲数).例如:R,=R+,G点为定位点,剩余进给量(脉冲数)为零.通过设定的各降速阶段运行过程加速度Ot,初始速度和终点速度可推算出A,C,E点剩余进给量(脉冲数).例如:RE=+=+.依此类推计算出A,B,C,D,E,点所对应的剩余进给量(脉冲数),按各自的规律进行匀速和减速运行.在开环控制方式下,交流永磁同步伺服电机在预定时间间隔脉冲系列控制下,在低速时所走的总步数总等于给定的脉冲数,其控制方式简单,控制线路经济方便.值得注意的
14、是,开环控制算法应包括伺服机构的死区补偿和零漂补偿模块,以提高伺服系统的定位精度.闭环控制和开环控制是基于不同的控制结构,采用不同的控制算法,这就要采用所谓的变结构控制.本应用是实现伺服电机位置驱动中的变结构控制,不同的控制结构通过任务间的切换实现.控制器根据减速过程速度曲线(图3)确定以哪一种控制结构运行,当伺服电机运行速度超过设定值时,系统以闭环方式运行;当伺服电机运行速度不超过设定值时要以开环方式运行.要求这两种工作状态要互锁,切换要准确,及时.4实验本文的伺服系统采用交流永磁同步伺服电机,其额定功率2.5kW,额定电流10A,额定转速2000r/min,额定转矩6N?m,定子电感8,5
15、mH,定子电阻2.8Q.实验中功率模块采用三菱公司的PM30RSF060智能模块,输入电压AC220V,开关频率15kHz,位置环采样周期T=500us,角度反馈采用2500脉冲/转的光电码盘,4倍频使用.传动机构采用滚珠丝杠副,通过柔性联轴器与电机相连.对于减速曲线,取伺服系统最低速度,取伺服系统最高速度的1%和10%.在高速阶段加速度可取大些,以保证减速过(下转第10页)ElectricaIAutomationI7<电气自动化)2007年第29卷第2期伺服控制系统ServoControlSystems图4并行口读时序图4.3软件设计软件不需要编写大量复杂程序,由于IRMCK201内部
16、的控制和状态寄存器映射为128个地址空间,因此只要读写时序配置正确,然后利用DSP把相应的地址和数据写或读到IRMCK201对应的寄存器,系统就可以运行,下面给出对一个寄存器进行写操作的完整流程图.对于读操作,只需把HPWEN变低,而HPOEN置高即可.除了利用的I/O口来模拟IRMCK201并行口的读写时序,还可以直接使用2407的数据线D7.D0以及WR,RD,IS等控制信号与并行口进行数据读写,效果完全一致.本实验所用到的交流伺服电机参数如表2所示:5结束语实验表明以IRMCK201为核心组建的全数字伺服控制系统,具有控制频率高,反应速度快,控制编程简单,与TMS320LF2407IOP
17、B7-0IoPA3IoPA210PA110PAOIRMCK201HPD0-7HPSCNHPAHP0ENHPWEN图5DSP与IRlVlCK201并行接口硬件原理图图6寄存器写操作流程图表2伺服电机参数表额定输额定电额定额定最高转矩转子传感器出率源电压转速()转速系数惯量电枢缝琶鑫背额定线(W)(V)(r/rain)r/rainN.m/Akg?m电阻Q电流A脉冲/姨7502203O002.38736000.5560.O002463.297144.43.57725oo外部主机通信方便等优点,而且不需要编写和修改大量的复杂程序,运动控制算法全部通过硬件实现.对于不同型号的电机,只须要修改相应的电机参
18、数即可,是新一代数字伺服控制系统的理想解决方案.参考文献1】李永东.交流电机数字控制系统M】.北京:机械工业出版社,20022】李华德.交流调速控制系统M】.北京;电子工业出版社,2003.33】江思敏.TMS320LF240XDSP硬件开发教程M】.北京:机械工业出版社.2003.64】张卫宁.TMS320C2000系列DSPs原理及应用M】.北京:国防工业出版社,2002,4:2032095】ToshioTakahashi.HighPerformanceACDrivebySingleChipMotionControlEngineICM】.IRCorporation,20036】Toshio
19、Takahashi.FPGA*basedHighPeformaneeACServoMotorDriveM】.IRCorporation,2003作者简介】暨绵浩(1979一),男,广州人,广东工业大学硕士研究生.研究方向;电力电子技术与运动控制.曾岳南,男,博士,副教授.研究方向:电力电子技术与电机控制.曾建安,男,广东工业大学硕士研究生.研究方向:电力电子技术与运动控制.(上接第7页)程的快速性;低速阶段应取较小的加速度,以保证定位精度.a在数值上可取为与相等.为了补偿减速点的位置误差,应取To=/Vo,=KV2/,:KVc/,K为可靠性系数,用来补偿算法的计算误差及其它一些不确定因素的影响
20、,取值在K=1.11.3.图4所示的是伺服系统在此条件下的定位过程,横坐标代表时间轴,数值代表点数,两个点的间距为2ms,纵坐标代表电机的位置标度.从图中可以看出,电机的定位过程中没有位置超调,而且完成整个定位过程大约为50ms,该设计方法应用于三维激光内雕机传动系统后,极大地提高了产品的性价比.参考文献1】秦忆等.现代交流伺服系统M】.湖北武汉:华中理工大学出版社,l9952】胡寿松.自动控制原理M】.北京:科学出版社,20013】何克忠,李伟.计算机控制系统M】.北京:清华大学出版社,199841孙鹤旭.交流步进传动系统M】.北京:机械工业出版社,199910IElectricaIAutomation,/,|,fJf633063406S063606,63S6390400图4伺服系统的定位过程响应曲线作者简介】江卫华(1965一),男,武汉工程大学电气信.g-学院副教授.主要从事教学和科研工作,研究方向为电气传动,数控系统,控制理论和控制工程等.裟裟椭33,22222,
