交流伺服系统在制造业中的应用

　　交流伺服系统在制造业控制中得到了更加广泛的应用，对控制的要求体现在响应速度快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好。随着计算机技术、电子技术、电机磁性材料的不断发展，交流伺服控制逐渐成为工厂自动化领域中运动控制的主流。
　　一、系统组成原理
　　系统的整体结构如图1所示。

    该系统由四部分组成，即微机、伺服控制卡、交流伺服调速系统、传感检测。主控微机与控制卡相连，可以通过数据线发送位置或速度命令，设定PID调节参数，并进行数模（D/A）转换，该模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机。电机轴端装有增量式光电码盘，通过光电码盘提供反馈信号（A、B、IN脉冲）来完成位置伺服系统的位置反馈，组成一个半闭环系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上，便于安装和避免机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影响。位置反馈环中传感元件—增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给伺服放大器，zui终调节电机运动，完成期望值的定位。
　　二、伺服控制方法
　　工业控制中常用的方法是PID调节器，尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了各种新型控制算法，如自适应控制、专家系统、智能控制等〔2〕。从理论分析，许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性，但是由于算法本身的复杂性，而且对系统进行模型辨识比较麻烦，因此，在实际系统中实现时困难，对于传统的PID调节器而言，其zui大的优点在于算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性〔3〕，而且适应性强，可靠性高，这些特点使PID控制器在工业控制领域得到广泛的应用。对于数控系统中的控制对象而言并不复杂，用PID调节器更易实现预期效果。
　　1、位置环PID控制算法
　　在数字PID调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。为减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，采用积分分离PID控制正当其时，当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位值时，再恢复积分校正环节，以便消除系统的稳态误差。
　　积分分离PID控制算法需设定积分分离阀ε，当|e（k）|>ε时，即偏差值较大时，采用PD控制，减少超调量，使系统有较快响应;当|e（k）|≤ε时，即偏差值比较小时，采用PID控制，以保证伺服电机位置控制精度。
　　离散化PID控制算式为：

　　 
    其中，k为采样序号，k=0，1，2…;Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数。在实际中，若执行机构需要的是控制量的增量，根据递堆原理可得增量式PID控制算式为：

　　 
    2、位置环控制算法流程
　　图2所示为控制算法流程图。

    3、控制系统参数的整定
　　主控微机向控制卡发送PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定Kp、Ki、Kd及采样周期T，比例系数Kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长;积分系数Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降;微分控制可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法，以及归一参数整定方法。这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯（Ziegler-Nichols规则）〔4〕，通常可认为交流伺服系统的模型为一阶带有延迟环节的模型（带滞后的一阶环节）：

    式中的一阶响应特征参数K、L和T可以由图3所示的S型响应曲线提取出来。求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统进行阶跃输入激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。于是可由Ziegler-Nichols整定规则得到：

    数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。一方面要满足香农定理，即ωs≥2ωmax，实际系统输入及反馈的zui大频率ωmax难以测定，另一方面采样周期并没有一个的计算公式，只能根据工程应用按经验规则选取，对于机电控制系统，要求较短采样周期，通常为几十毫秒。