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(1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室,天津 300384;2.天津瑞靈石油設(shè)備有限公司,天津 300308)
直線電機驅(qū)動系統(tǒng)負載的變化將直接作用于直線電機。在設(shè)計直線電機控制系統(tǒng)時,如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度和動態(tài)響應(yīng)能力[1],成為控制器設(shè)計的關(guān)鍵指標。TI公司的TMS320F2812 DSP是一類專業(yè)的運動控制芯片,不僅具有主頻高、速度快的優(yōu)點,而且還可以利用其帶有死區(qū)單元的PWM輸出,實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制算法。結(jié)合在Matlab/Simulink創(chuàng)建控制算法簡單的特點,實現(xiàn)在Matlab中創(chuàng)建M文件,生成DSP代碼,控制直線電機快速、精準運動。
目前,直線電機伺服控制系統(tǒng)主要采用3環(huán)控制結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 直線電機伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of linear motor servo system
從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán),而且3個環(huán)所使用的調(diào)節(jié)器均可根據(jù)實際情況分開單獨設(shè)計。其中,電流環(huán)作為底層內(nèi)環(huán),接受速度環(huán)傳送的電流信號,與電機反饋電流信號比較,主要作用是提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力;速度環(huán)處于中間位置,接受位置環(huán)傳送的信號,能夠抵抗負載波動干擾,確保速度穩(wěn)定;位置環(huán)[2]保證改善系統(tǒng)動態(tài)跟蹤能力和靜態(tài)性能。
在設(shè)置ELMO驅(qū)動器時,電流環(huán)和速度環(huán)就已經(jīng)完成了調(diào)整工作,即當1臺電機連接到驅(qū)動器上時,電流調(diào)節(jié)完全是自動的:軟件Composer根據(jù)頻繁的反饋信息創(chuàng)建一個電流環(huán)的技術(shù)編碼器并且能找出最優(yōu)PI參數(shù);速度環(huán)調(diào)節(jié)中可根據(jù)提示進行速度自整定來完成速度驅(qū)動的調(diào)整,作為一個速度調(diào)節(jié)器。故在設(shè)計直線電機3閉環(huán)控制系統(tǒng)時只需要通過C space控制卡[3]采集直線電機的位置信號,與設(shè)定的信號(本實驗中為方波)作比較得到誤差信號,將該信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器(積分分離的PID算法)處理后得到控制信號,再經(jīng)過驅(qū)動器放大驅(qū)動直線電機,構(gòu)成直線電機的閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖2所示。
圖2 直線電機閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Block diagram of linear motor closed-loop system′s hardware principle
積分分離的PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想是:為了避免輸入量有較大的變化而引起控制量超調(diào),超出一個范圍,從而產(chǎn)生飽和效應(yīng),此時,令PID調(diào)節(jié)器中的積分環(huán)節(jié)不起作用[4],只有比例和微分環(huán)節(jié)起作用;當輸入量的變化較小時,重新使積分環(huán)節(jié)恢復(fù),作用于系統(tǒng),消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。
本系統(tǒng)中采用光柵尺來測量直線電機的位置信號,C space控制卡上正交編碼接口Encoder2是直線電機動子位置反饋接口,如圖3所示。
圖3 正交編碼模塊及其對應(yīng)的C space控制卡上接口Fig.3 Orthogonal coding mode and its corresponding interface on C space control card
圖3中模塊輸出的是編碼信號經(jīng)過解碼后的脈沖個數(shù),是A相或者B相信號4倍頻以后的值。此接口會給出電機的實際位置信號與設(shè)定的預(yù)期信號比較得到偏差信號當偏差值絕對值大于一個設(shè)定的閾值為大于零的數(shù))時,PID控制器中的積分環(huán)節(jié)不起作用,這時,控制器的輸出為
從而使控制器具有消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的能力。
式(1)和式(2)給出了PD-PID控制算法,Matlab/Simulink搭建仿真模塊見圖4。其中,“Subsystem”,“Subsystem1”,“Switch”模塊,完成對積分退出與恢復(fù)的條件判斷和輸出。根據(jù)輸入條件的不同,判斷“Subsystem”或者“Subsystem1”起作用,從而決定積分環(huán)節(jié)的加入和消除。
圖4 PD-PID算法控制框圖Fig.4 The block diagram of PD-PID algorithm control
在建立控制算法M文件時,可以利用Matlab/Simulink中加載了特有的C space軟件包,該軟件包中一些模塊支持在線實時參數(shù)調(diào)整。因此,在運行時,可以首先通過在線改變參數(shù),找到一組最優(yōu)的P,I,D參數(shù),并將這3個參數(shù),作為之后控制電機的實際參數(shù),加載到PD-PID控制器中,達到直線電機精準的位置跟蹤控制。
圖5 U型直線電機驅(qū)動平臺Fig.5 U-linear motor drive platform
Cspace電機試驗平臺不僅可以同時驅(qū)動3臺磁阻無刷電機,還包含了直線電機驅(qū)動功能。本文針對直驅(qū)技術(shù)而言,直線電機試驗平臺包括硬件和軟件2部分,主要有:U型永磁直線電機驅(qū)動平臺(如圖5所示),模塊化組件,TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP運動控制卡,控制軟件和C space快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)。其中直線電機驅(qū)動平臺由精密直線導(dǎo)軌,直線電機(參數(shù)為:直線電機總質(zhì)量11.4 kg,直線電機移動部分質(zhì)量1.336 kg,負載塊質(zhì)量0.5 kg,磁柵分辨率5 μm。)位移傳感器,負載塊幾部分組成。軟件包括Matlab R2008a和CCS3.3,仿真器驅(qū)動軟件Composer。在本實驗平臺的Matlab/Simulink中裝載了特有的C space軟件包,用于直線電機驅(qū)動控制設(shè)計建模。
實驗可按如下過程進行:第1步,在Matlab的Work文件夾下建立Simulink算法文件編譯、修改,直至無錯誤;第2步,連接硬件,包括上位機,主機箱,直線電機之間的通訊線和控制線;第3步,Simulink文件編譯,連接到DSP;第4步,打開C space控制界面;第5步,在線改變參數(shù),通過串口下載參數(shù),然后啟動電機;最后,進行在線調(diào)試,并可以保存數(shù)據(jù),利用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理。其中,第3步和第4步用到的模塊如圖6所示,“WM Model Build”編譯Simulink 算法文件,生成DSP目標代碼,“WM Model Run”使生成的代碼下載到DSP卡并自動運行,啟動臨控界面。
圖6 C space軟件包中常用模塊Fig.6 Module commonly used in C space software
在試驗中,設(shè)定幅值為1,占空比為2/3的方波信號,采樣時間為0.005 s。由實驗平臺無需停止電機,就可進行PID參數(shù)在線調(diào)試,沒有必要采用其它的PID參數(shù)的估算方法[5],只需通過觀察C space控制界面,在輸出曲線達到所要求標準時,記錄3個參數(shù)的數(shù)值。最終采用的參數(shù)值分別為:相對應(yīng)于比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的“WM-write2”“WM-write3”“WM-write4”的值分別為:3,30,0.003 3,取閾值ε為0.55。輸出控制電壓信號、位置跟隨曲線、偏差信號的實驗結(jié)果分別如圖7~圖9所示。
圖7 輸出控制信號Fig.7 Output control signal
圖8 位置跟隨曲線Fig.8 Position follow curves
圖9 偏差信號Fig.9 Deviation signal
圖7為調(diào)節(jié)器輸出的模擬控制電壓信號,通過“WM_DAC_1”通道接口,與Cspace控制卡16bit的DA相連,最終輸出(-10,+10)范圍內(nèi)的電壓值。
由圖8可以看出,雖然在電機換向時仍有一定量的超調(diào),經(jīng)過0.2 s后,電機跟蹤效果很好。
從整個實驗現(xiàn)象可得知,PID設(shè)置不同值時,電機的實際位置控制效果不同,隨著PID參數(shù)的調(diào)節(jié)優(yōu)化,電機運動曲線逐步跟蹤設(shè)定脈沖曲線,并且誤差也很小。
本文通過對PID算法的研究設(shè)計了積分分離的PID控制器,并在Sinulink中編寫了M文件,結(jié)合了C space硬件在回路控制的優(yōu)勢,通過在線適時調(diào)整參數(shù),找到了PID比較好的參數(shù)值,實現(xiàn)了直線電機位置精準跟蹤方波實驗。實驗結(jié)果表明:積分分離的PID調(diào)節(jié)器,能夠減小系統(tǒng)超調(diào),改善系統(tǒng)靜、動態(tài)性能,提高了直線電機位置跟蹤的性能。又因為直線電機直接存在于硬件中,在控制算法設(shè)計時,無需創(chuàng)建直線電機的數(shù)學(xué)模型,取代了傳統(tǒng)的用理想電機數(shù)學(xué)模型代替實物帶來的弊端,也驗證了積分分離的PID控制器的有效性。
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