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摘要：电机目前已广泛应用于汽车工业、航空航天以及家用电器等诸多工业领域,然而只有匹配合理的控制系统及参数,才能使电机高效准确运转。在设计及调试控制程序时,单纯离线仿真环境往往进行了一定程度的简化,与实际情况存在一定偏差,所得参数还需要进一步进行实际调试。而利用试验法进行反复调试,又存在效率低、周期长、成本高的问题。针对上述问题,设计开发了以实际电机为被控对象的调试平台,同时可以进行在线调试,兼顾了调试的准确性和快速性。
关键词：伺服电机；控制系统；
1伺服控制系统的内涵
(1)开环伺服系统结构简单、调试维护容易,内部没有运动反馈的控制回路,工作稳定、成本低,没有检测的反馈装置。当运动有错误时,电动机也会随着装置发出脉冲指令进行工作,并且还会修正错误,作出信息错误反馈。在开环伺服系统中,步进电动机是主要驱动部件,其步距角精度、机械的传动精度能够影响开环系统的精度。一般情况下,一些对精度和速度要求不高的设备中,开环伺服系统都会用到步进电动机。
(2)半闭环伺服系统安装调试比较方便,主要由无刷旋转变压器、测量速度的发电机构成。其中,无刷转变压器最主要的器件还是装载内部的脉冲编码器,不会受一些非线性因素的影响,系统能够实现机械传动的控制。并且电机轴或者丝杆上装载整个系统中所有的反馈信号,一般都是用来位置或者速度的检测器件,能够给系统进行机械传动的机制。在数控机床中,半闭环伺服系统的应用非常广泛,在机械转动装置精度不高的情况下,机械转动装置的精度可以作为整个半闭环伺服系统的定位精度,为了达到要求的高度,数控装置内部的误差补偿功能和间隙补偿功提升加工的精度。
(3)全闭环伺服系统是由各种装置组成,即:比较环节、伺服驱动放大器、机械传动装置、进给伺服电动机以及直线位移测量装置等。其中,全闭环伺服系统的驱动部件能够监测、反馈修正机床运动部件的移动量,即:直流伺服电动机或者交流伺服电动机。在测量机床部件时,能够构成一个较高精度的全闭环控制位置系统,可以直接利用安装在工作台的光棚或者感应同步器。在整个全闭环系统中,可以在移动的部件上,安装直线位移检测器,也就是说,这个位移检测器的精度和灵敏度就是移动部件测量精度、灵敏度,同样加工精度也相对地得到了提升。但机械传动装置之间的一些非线性因素,会影响整体的稳定性,如:摩擦阻尼、装置刚度以及反响间隙等。并且在整个全闭环伺服电机系统中,安装和调试全闭环伺服系统过程非常复杂。
2控制系统设计
2.1PID控制算法
经典的直流伺服电机控制系统为闭环控制,测速传感器将速度信号反馈至控制系统,与期望值对比后进行实时调节。目前较为成熟的控制理论有PID控制、BP神经网络、模糊控制等以及多种算法相融合,不同算法各有优势,方案选取视控制精度要求和控制难度等实际情况而定。其中PID控制不需要推导和求解电机及传动系统精确的数学模型即可进行有效控制,且鲁棒性较好,因而成为目前实际应用中普遍采用的控制方法。
2.2转向判断电路
在直流伺服电机工作时,电机末端霍尔传感器输出A、B两条正交脉冲方波。转盘正转时A相超前90°,反转时A相滞后90°。
确定A相与B相信号的超前/滞后状态,即可判断伺服电机的转向。在该系统中相序鉴别所采用的是触发器DM74LS74,其相序鉴别真值表见表1。表1中:H—高电平;L—低电平;X—任意;↑—上升沿。
将PR和CLR引脚同时接高电平,CLK和D分别接到A相和B相,当CLK为上升沿且D为高电平时,则Q输出高电平,此时D超前CLK输入相90°;当CLK为上升沿且D为低电平时,则Q输出低电平,此时D滞后CLK输入相90°。按照上述规则,根据Q所处高低电平状态,即可判断出D和CLK的输入相的相序关系,由此可以确定伺服电机的正反转。
2.3驱动电路
驱动模块选用经典的L298N驱动芯片,理论最大电压为46V,最大功率为25W,但受限于其他模块,实际不超过24V,平台电机工作电压为12V,该芯片的驱动原理图如图5所示:在芯片的输出端口增加了D1～D8二极管,此二极管的目的是防止电机在运转的过程中产生的反电动势对驱动芯片产生干扰,驱动芯片的IN1,IN2,IN3,IN4是控制输入端,其中IN1、IN2控制电机MG1;IN3、IN4控制电机MG2。通过改变输入端电平的高低,能够控制电机的正反转,其中调速就是改变高电平的占空比。在调试时发现发热问题较为严重,分析原因可能是电机负载和速度变化产生了一定影响,故将两路H桥并联运行以减少芯片发热。芯片逻辑驱动电路包含4个通道。
3伺服电机控制试验
3.1恒转速输入
设置指定转速为100r/min,控制器可以读取到电机实时转速并进行反馈。将采样数据导出进行拟合处理后。可以看到电机在第25采样点左右开始稳定在目标转速附近,超调量很小。霍尔传感器采样周期为10ms,表明电机在0.25s左右进入稳定状态,响应速度较快,且稳态误差较小。
3.2变转速输入
再以变输入转速为例,分别设定目标转速为55r/min、35r/min、-35r/min,电机迅速达到目标转速并保持稳定状态,响应速度和超调量都在允许范围内。其中,在换向过程经过转速为零的位置有一定持续和并伴有抖动,分析原因主要是由于电机减速器存在一定传动间隙,同时电机转子存在回差,造成了一定空回。
3.3带负载输入
为模拟实际情况,对电机输出轴施加一定摩擦阻力,以模拟负载转矩。在启动初期,由于带一定负载,电机转速稍小于50r/min,在PID控制下,逐渐加大直至超过50r/min,存在一定超调;在第400采样点附近,电机转速接近60r/min,在PID控制下开始自动下降至50r/min左右并基本保持波动幅度不变;在第750采样点附近,负载突然取消,出现了瞬间加速并迅速下降至50r/min,其中加载情况下转速波动幅值大于空载情况,但仍在可接受范围内。可以明显看到,加载与空载情况下,电机转速均符合变化规律,PID控制器作用效果良好。在实际应用中,应尽量减小负载,以提高控制精度。
结论
设计开发了一种可以进行快速、反复试验的直流伺服电机调试平台,避免了调试控制系统参数时,仿真法误差大、试验法效率低成本高的问题。该平台可以实时显示电机转速以及PID参数,且可以将电机工作信息输出到计算机内进行数据分析。基于PID控制理论,设计了直流电机伺服控制系统,并进行了参数调试。结果表明:针对平台选用的电机及设计的控制系统,当控制参数分别为KP=3、KI=0.5、KD=0.4时,电机响应速度及平顺性可以满足实际所需,验证了该调试平台可以有效应用于直流伺服电机控制系统调试,同时该方法也可以进一步应用到更多电机调速的工程领域。
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