（电力电子与电力传动专业论文）电动造波机交流伺服控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t w a v e m a k e ri sak i n do f f a c i l i t yt oa r o u s ed i f f e r e n tk i n d so f w a v ei nt h ef l u m eo r b a s i nt os i m u l a t et h ei m p a c to fn a t u r a lw a v eo nt h ec o n s t r u c t i o n t h ed a t ao b t a i n e d f r o mt h ee x p e r i m e n t ss u p p l yp r o o ff o rt h ed e s i g no fa r c h i t e c t u r eo rs h i p t h i sp a p e r w a sj u s tb a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef l u m ew a v e m a k e ri nt h el a b o r a t o r yo f h a v e na n dc o a s te n g i n e e r i n go ft i a n j i nu n i v e r s i t y t h es y s t e mw a sm a i n l yc o m p r i s e d o fp c ，m o t i o nc o n t r o l l e r , s e l w om o t o r s ，d r i v e r s ，w a v e d e t e c t o r , d a t a g a t h e r i n gf a c i l i t y a n ds o m em e c h a n i c a lp a r t s t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e w h o l es y s t e mr e s p e c t i v e l yi n c l u d i n ge l e c t r i cc o n t r o l ，p r o g r a m m i n g ，h u m a ni n t e r f a c e o nt h ep c ，e t c a st ot h ew a v e d e t e c t o r , f i r s tt h ec i r c u i td i a g r a mw a sa n a l y z e d ，t o o b t a i nt h es t a n d a r di n d u s t r i a lv o l t a g es i g n a l ，t h ei m p r o v e dc i r c u i tw a sa l s op r o p o s e d t h es y s t e mo fw a v e m a k e rf o r m e dat y p i c a la cs e r v oc o n t r o ls y s t e m a st h e e x e c u t o ro ft h es y s t e m ，t h em o t o r sa n dh o wt oc o n t r o lt h e mw e r et h ek e yp o i n t s s o a p a r tf r o mt h ea b o v e m e n t i o n e dw o r k ，t h em o t o r ( p m s m ) w a sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l f i r s tt h es t r u c t u r ep r i n c i p i u ma n dm a t h e m a t i cm o d e lw e r ee l u c i d a t e d ，t h e nv e c t o r c o n t r o lf o rp m s ma n dt h et h e o r yo f s v p w mw e r ee x p o u n d e da sk e yp o i n t s a l s ot h e p r o c e s so ft h ec o m p u t i n go fs v p w mu s i n gm a t l a bw a se x p l a i n e d f i n a l l yt h ew h o l e s y s t e mo fp m s mc o m b i n e dw i t hi t sc o n t r o lp a r t sw a se s t a b l i s h e du s i n gs i m u l i n k a c c o r d i n gt ot h es t r a t e g yo fi j = 0 t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nc o n f i r m e dt h e f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h es t r a t e g y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o no ft h em o t o r sw a so fg r e a t i m p o r t a n c et ot h ew h o l es y s t e m f r o mt h i sp o i n to fv i e w , t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h e s t r a t e g i e so fh o wt os y n c h r o n i z em u l t i m o t o r s m e t h o d sb a s e do nf u z z yl o g i ca n d c o n v e n t i o n a lo n e sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d f u r t h e r m o r e ，f u z z yc o n t r o l l e rb a s e d o np a r a m e t e rs e l f - a d j u s t a b l ew a sa p p l i e dt ot h es y s t e m t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h e s y s t e mu s i n gd if f e r e n tm e t h o d s ，i tw a so b v i o u st h a t t h es t r a t e g yb a s e do nt h e p a r a m e t e r - a d j u s t a b l ef u z z yc o n t r o l l e rc a na c h i e v eb e t t e rs y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n ea f t e rt h ec o m p l e t e m e n to ft h es y s t e m ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h eq u a l i t yo ft h es y s t e mc a l ls a t i s f yt h er e q u e s to fl a b o r a t o r i a lf l u m e k e yw o r d s ：w a v e m a k e r , m o t i o nc o n t r o l l e r , p m s m ，s v p w m ，s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名舔把 签字吼 唧年月( 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：徐 旭 签字日期：2 唧年乡月f r 日 导师签名： 箨芭鸽、 i 答字醐：1 年b 月f n 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 在实验室水池或水槽中实现海上环境的模拟是随着海洋开发工程而兴起的 一门试验研究技术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。波浪对船 舶、水利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。 在船舶设计领域，研究船舶在波浪中的航行及运动性能；在码头、堤坝等水 利工程中，研究其测试及抗波浪能力；在海上石油开采中，分析海上钻采设备对 海浪的抗疲劳性能，以及在休闲娱乐业供游客参与波浪戏水游乐活动等，都需要 进行波浪相关的试验。研究的手段可归纳为三种：数学力学的方法、现场观测的 方法和模拟试验的方法1 1 l 。 数学力学方法是应用牛顿力学理论，从流体运动方程和质量守恒出发，结合 一定的边界条件，得到波浪运动的解，并用以解释波浪运动韵某些现象。但是数 学方法只能对特殊情况才能找到解析解。而自然界的条件是相当复杂的，一般情 况下很难找到问题的解析答案。用特殊情况下获得的答案去解释普通的实际波 浪，会产生很大的差异。 现场观测的方法是在实际的波浪环境下进行一些工程试验，这种方法准确可 靠。没有任何假设和虚拟，但也有它自己的缺点和不足，一方面，自然现象不受 人工的控制，人们不易捕捉到最有利的时机；另一方面，现场观测要投入大量的 人力、物力和现代化的精密仪器设备，这是制约其不能广泛和普遍发展的重要原 因。 模拟试验的方法是在某种相似的原则下，把自然现象在实验室内进行复演。 这种方法克服了数学力学假设条件的狭隘性，并且不受线性条件的限制，得到的 结构也比数学力学的方法更接近于实际。同时，模拟的方法可以人工控制和调节， 不受外界条件的影响，克服了现场观测这方面的不足，所需的花费也比现场观测 少得多。但受实验室的条件所限，模拟的范围也相对有限，得到的结构与实际的 自然现象仍有差异。随着计算机及其他技术的不断发展，波浪模拟技术也日趋成 熟，模拟的方法也正逐步由物理方式向数学方式转化，在电子计算机实现的部分 越来越多，从而减少了试验费用和试验周期。并且只要模拟设计合理，试验设备 及测量仪器的精度能够满足要求，由此得到的试验结果就非常符合实际情况，完 全满足一般船舶等试验的要求【i l 。因而，目前模拟试验的方法是研究海浪与船舶 第一章绪论 或建筑物相互作用的最佳方法。 造波机是一种与海工建筑试验水槽或水池配套的基础设施，它的作用是在水 槽或水池中激起不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对建筑物或设备的影响， 以测定各种技术数据，为海工建筑或船舶的设计提供依据。近来大型水上娱乐场 也大量使用造波机造出人工海浪，使内地人们也享受到大海中游泳的乐趣，因此 开拓了造波机的新用途。 1 2 波浪模拟技术的国内外发展情况 计算机技术的发展应用为实验室内模拟海浪提供了可靠的保证。现今已能通 过计算取得大量人为资料来模拟海浪，一些日本作者采用这种模拟方法研究谱与 海浪要素的统计性质，已取得了引人注目的结果。另一方面，以模拟资料为输入 可计算水工建筑物或船体等的各种反应。如这类人为资料足够多，可在输出上产 生长时期甚至数百年的经验，例如最大的反应，某些临界值的次数等。模拟是在 可控条件下进行的，因此可根据需要模拟控制水槽或电子计算机上的实验，其中 数字实验更具有费用低且特别适用于复杂随机过程等优点，故日益变为研究海浪 理论和应用问题的有力工具【2 】o 波浪模拟的研究得到了各国的重视，国外这方面的研究很多，其中日本三井 造船株式会生产吸收式造波机系列产品，电机功率从5 0 瓦至l1 千瓦不等，造波 波高1 0 5 0 c m 3 1 。美国a o c 公司的多向不规则波造波机，已形成商品化。由于对 造波的不同要求，小型便宜的不规则造波机系统将会是一个研究热点，这也将会 使各造波机研究单位向这个方向发展1 2 】。 我国从5 0 年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波开始研究。 此后，又陆续地出现了不少的造波水池和水槽。在这些实验室中所用的造波机设 备也种类繁多，它们大部分是国产的，也有不少是从德国、美国、丹麦和日本进 口的，五花a i - j ，应有尽有。迄今为止，造波机仍以机械式为主，即通过造波部 件的机械运动对水体施加扰动来产生波动。常见的有如下几种【2 i t 4 】：摇板式造 波机：通过机械驱动使摇板绕固定轴往复摆动，使水池中水产生波动。波高由摇 板的摆动幅度控制，波长或周期由摆动频率确定。推板式造波机：又称活塞式 造波机。通过丝杠驱动在水池( 槽) 一端的推板进行往复运动，使池中水产生波动， 波高取决于推板的冲程和速度，波长则取决于往复频率。该造波机主要应用于浅 水造波。冲箱式造波机：其造波部件为断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿 垂直水面防线作往复运动达到造波的目的。冲箱式造波机的波长是由冲箱上下振 动的周期决定的。空气式造波机：空气式造波机的原理依靠附加在钟罩所限制 的水域上，并随时间作周期变化的空气压力来制造波浪。该造波机备有鼓风机作 第一章绪论 气源，鼓风机通过管路与钟罩相连接。钟罩内的空气压力靠配气阀门来实现周期 变化。因此波浪的周期与阀门摇动的周期相等，而波长与阀门的工作周期t 和水 深h 有关。 造波技术是一门综合技术，它涉及到海洋学、造波理论、自动控制、计算机、 电力电子技术、传感技术等多种科学。影响造波技术发展的一个重要因素就是造 波系统的电机的随机控制和随机波浪的数据处理和采集。当今，计算机、自动控 制技术和电力电子机技术的高度发展，为造波机提供了良好的技术支持，造波机 的驱动电机可以直接受计算机的控制，驱动造波板运动，由于计算机控制的数字 化，可使造波板实现调幅调频运动，从而造出具有良好波形的规则波和不规则波。 1 3 造波理论概述 1 3 1 波面的描述及波浪谱 波浪根据其形态可分为规则波和不规则波。规则波波面平缓光滑、波形规则， 具有明显的波峰波谷，二维性质显著。不规则波波形杂乱，波高、波周期和波浪 传播方向不定，在空间上具有明显的三维性质。 根据海水速度势函数的拉普拉斯方程和流体力学中的伯努里方程，可以推得 海水的波面函数为： 孝( z ，f ) = a c o s ( 舡一o ) t ) ( 1 - 1 ) 式中，彳为波面的振幅，x 为传播方向上的位移，e 0 为圆频率。在时间上的某一 时刻“，海水的波面是一个正弦，即： 孝( z ，) = a c o s ( k x - o t o ) ( i - 2 ) 这就是通常规则波的表达式。 不规则波可看作由无限多个不同波高、不同周期并沿特定的方向传播的线性 波的组合，定点的波面可由下式描述： 玎( ，) = qc o s ( a f t + 6 f ) ( 1 3 ) 式中q 、q 分别为组成波的振幅和圆频率；为在0 2 万范围内均匀分布的随机 初相位。谱的表达式为s 细) = 去口。2 ，考察量i 1 以鹏2 ( 成为水密度) 代表了介于仍国+ 砌范围内各组成波的能量的和，除以砌后得此间隔内的平 均能量。所以s ( o j ) 正比例于频率位于0 3 一m + # a j 内各组成波提供的能量。海浪的 第一章绪论 能量由所有组成波提供，s ( o j ) 代表海浪能量相对于组成波的频率的分布，称其 为谱或者频谱。由于它反映出能量密度，所以又称为能谱。 迄今已提出许多风浪频谱，其中有相当大一部分具有劳曼( n e u m a n n ) 于1 9 5 3 年得到的一般形式： 彳i s ) = j e x p ( - b ) ( 1 - 4 ) 国。国1 其中，指数p 常取4 6 ，q 取2 4 ，量彳及8 中包含风要素( 风速、风时、风距) 或波要素( 波高、周期) 作为参量。l 脚p 随频率增大而减小，谱的高频部分主要 由它控制。指数函数部分随频率由零迅速增大，使功= 0 处s 泐) = 0 。此二部分相 乘得到始而迅速增大，继而急骤减小并趋于零的谱，波谱如图1 - 1 所示。 o 8 o 5 o i o 3 3 荔o 2 o 1 0 - o 1 一图卜1 海浪谱示恿图 现今国内外应用比较多的谱有p i e r s o n m o s c o w i t z ( p m 谱) 、布氏( b r e t s c h n e i d e r ) 谱( 二参数谱) 、j o n s w a p 谱、文圣常谱等。得到谱的方法主要有【l 】： ( 1 ) 利用定点观测得到的波面记录，计算自相关函数，并通过维纳- 辛钦定理 估算谱，或利用此波面记录，用快速傅立叶变换等方法估计谱。 ( 2 ) 假定谱具有式的形式，然后根据观测结果，或以某种半经验半理论的方法 确定p 、留及a 、b ，或者于彳、曰中引入波要素或风要素作为参量。 1 3 2 谱至u 时序歹f j 在实验室内模拟波浪现象，造波系统上位机通过软件算法得到海浪谱，然后 将谱转化为电机运动所需的位置时序列。谱到时序列通常有两种方法，即波浪叠 加法和f f t 逆变换。这里着重介绍线性叠加法。 海浪可看作一平稳随机过程，它可由多个( 理论上应为无限多个) 不同周期和 不同随机初相位的余弦波叠加而成： 第一章绪论 r t ( t ) = 口，c o s ( k ，x - - o j j t 4 - r ) ( 1 5 ) 式中j ，7 ( f ) 为波动水面相对于静水面的瞬时高度； a j 为第i 个组成波的振幅； 屯，以为第，个组成波的波数和圆频率，k j = 2 ，r l , ；哆= 2 万互，三、t 分 别为波长和周期： z 、r 分别表示位置和时间，通常固定位置，可取x = 0 ； 为第f 个组成波的初相位，此处取在( 0 ，2 7 t ) 范围内均布的随机数。 设欲模拟的对象谱( 靶谱) s 。徊) 的能量绝大部分分布在吼t o - 范围内，其 余部分可略而不计。把频率范围划分成脚个区间，其间距为哆= 劬一，取 面，= ( 0 3 - l + 0 3 ，) 2 ( 1 - 6 ) 一辱= 4 2 s 玎, ( o ) , ) a a h ( 1 - 7 ) 则将代表刀z 个区间的波能的m 个余弦波动叠加起来，即得海浪的波面： ，7 ( f ) = 2 s _ 口( 西，) 缈，c o s ( c o t + 6 ，) ( 1 - 8 ) 式中，蠡为第f 个组成波的代表频率。 用波浪叠加法模拟海浪时应注意以下问题： 1 、频谱范围c o l 国h 的选取，取决于所要求的精度。设在高低频侧各允许 略去总能量的恤部分( 例如千分之二，p = 0 0 0 2 ) ，对于可积分的频谱，易于确定 吼和0 3 h 。例如p m 谱： 咿( 一蒜厂咿 _ 蒜 i ，4 ”9 ， 对于b m 谱： 旷寺( 一期4 彩h ：上卜竺旦 i 4 ( 1 - 1 0 ) 2 瓦l - 一丽丽ju 一w 可以看出，在m 一定的情况下，不恰当的增大频谱范围，反而会使模拟精度 下降。一般取谱峰频率的3 - - 4 倍作为，吼取到0 0 5 倍的频峰频率已经足够。 2 、划分频率的方法 采用等分频率法，取a m = ( 吐，h o ) m ( 一般取m 取5 0 - - - 1 0 0 ) 。但若采用( 1 6 ) 式中的西作为i 区间的代表频率，由式( 1 8 ) 模拟所得的波浪将以周期2 n a t o 重 复出现，除非a m 值足够小；否则与实际的海浪情况不符。应在各区间内部随机 第一章绪论 的选取频率作为该区间的代表频率西。西的选取方法对模拟结果有相当的影响。 由于波能集中在谱峰部，如而值较小，只有少数位于谱峰处的组成波起主要作用， 可能产生较大的误差。 3 、f 的选取 a t 的选取应该尽量的小，通常为a t = 0 0 2 0 ) ，本文取a t = 0 0 i s 。下 图即为以j o n s w h l p 谱到时序列的转换结果，波高为5 0 毫米，周期为1 秒， 为了便于观察，时序列的时间仅画出前2 0 秒( 实际取时2 0 0 s ) 。 鏊 橐 v 图卜2j o n s w a p 谱 时间( 秒) 图卜3 j o n s w a p 谱转化的时序列 1 4 本文的主要工作 本课题来源于天津大学港口与海岸工程实验室的造波机设备建设项目。实验 第一章绪论 室内水槽造波机的设计要求和指标是： ( 1 ) 水槽尺度：长宽x 高= 8 5 m x 2 o m x l 8 m ； ( 2 ) 造波板宽度：2 0 米( 1 米x 2 块) ； ( 3 ) 单块造波板宽度：1 0 米： ( 4 ) 造波机类型：推板式( 交流伺服电机驱动) ； ( 5 ) 造波机最大工作水深：1 5 米； ( 6 ) 最大波高：0 6 0 米； ( 7 ) 要求可模拟正弦波和椭圆余弦波等规则波、国内外常用的频谱( 包括p m 谱、m p m 谱、b 谱、j 谱、港口水文规范谱) 以及自定义频谱所描述的不规则 波，满足各种试验使用要求。 造波机系统由上位计算机、多轴运动控制器、交流伺服电机及其驱动器( 两 套) 及推板( 两块) 组成。上位机造波软件生成电机的位置时序列，运动控制器接 受位置指令信号控制电机完成指定的运动。电动机及其功率驱动装置作为执行器 主要为被控对象提供动力，内含位置反馈装置光电编码器。运动控制器是以中 央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单 元为控制对象的一种控制装置。其功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如位 置控制、速度控制和转矩控制等。为了对所造出的波浪进行实时数据处理和分析， 在造波的同时要同步采集波浪信号进行观测，因此系统中还设置了传感器一波高 仪，以便于数据采集。 依据系统中所涉及到的要求或任务，本课题完成的主要工作为： ( 1 ) 确定合适的运动控制器，建立以运动控制器为核心的完整的造波机电气 传动控制系统。系统软件包括人机界面、电动机运动控制程序、p c 与运 动控制器之间的通讯以及系统保护和回零程序的开发； ( 2 ) 以系统中的伺服电动机为研究对象，着重研究其控制原理与调速方法； ( 3 ) 对双电动机的位置同步控制策略进行了研究； ( 4 ) 在造波系统完全建立后，进行了造波实验，采集数据进行分析。 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 第二章交流伺服控制系统及多轴运动控制器简介 2 1 伺服运动控制系统技术概述 在军事自动化、工业自动化和办公自动化中，大量存在对运动机构进行精确 控制的任务，运动控制技术作为自动控制的重要分支，在这里大显身手，正是由 于运动控制系统能够实现对运动轨迹、运动速度、重复定位精度的精确控制，在 各类控制工程中有着广泛应用前景，因此运动控制系统目前已成为控制科学应用 领域中一个很有意义的研究方向哺1 。 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制 等阳1 。点位控制又称为点到点控制，是一种从某一位置向另一位置移动时，不管 中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置的控制方式，可以通过多轴 协调运动来实现。直线控制又称为平行控制，这类运动除了控制点到点的准确位 置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行 控制。轮廓控制又称为连续轨迹控制，这类运动能够对两个或两个以上运动坐标 的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动，可以通过 直线、圆弧插补、n u r b s 曲线插补等实现。现代数控机床及机器人绝大多数具有 两个坐标或两个坐标以上联动的功能，如六轴控制的机械手，其运动可以给定在 空间的任意方向。 图2 一l _ 般工业交流伺服控制系统框图 单从基本结构上看，一般工业控制的交流伺服系统结构如图2 - 1 所示。上位 计算机主要负责系统软件管理或人机界面交互，伺服电动机及其功率驱动装置作 为执行机构为被控制对象提供动力，伺服电机通常含位置反馈装置，如光电编码 器。目前应用于工业的伺服电机包括直流伺服电机、感应交流伺服电机和永磁同 步伺服电动机，其中以永磁同步电动机占大多数。运动控制器是整个伺服系统的 核心，通常它自身的c p u 结构与p c 构成双c p u 系统，它可实现与上位机的数据 交换和通讯，完成运动轨迹规划，是实现电机运动形式的关键所在。在伺服控制 系统中，按位置检测的方式分类，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。通过步 进电机控制的开环系统由于没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决电机的步 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 距角及传动机构的精度等。通过编码器将电机的位置信号反馈到控制系统可构成 半闭环系统，如果将光栅尺等测量的实际位置作为反馈即可构成全闭环系统。闭 环和半闭环伺服系统具有位移测量和位置比较环节，这样可达到比开环系统更高 的控制精度。 2 2 交流伺服电动机的控制模式 交流伺服系统中电动机的控制一般有位置控制、速度控制和转矩控制三种控 制方式。下面以日本p a n a s o n i c 公司的m i n a s 系列交流伺服系统为例，介绍这种交 流伺服系统的控制原理。这种伺服系统可在驱动器中由参数p r 0 2 设置为位置、 速度和转矩三种控制模式n 训，现分述如下。 1 、位置控制模式( p r 0 2 = o ) 当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号。 其接口电路如图2 2 所示。 图2 - 2 交流伺服系统位置控制接口电路 驱动器 内部 驱动器 内部 指令脉冲的输入方式可分为以下三种： ( 1 ) 正交脉冲指令 频率相同但相位相差9 0 。的a 、b 两相脉冲分别从p u l s i 、p u l s 2 和s i g n l 、 s i g n 2 送入伺服驱动器。a 、b 两相脉冲的频率控制电机转速；脉冲数控制电机的 角位移；两相脉冲的超前或滞后关系控制电机的正反转。 ( 2 ) c w c c w 脉冲指令 即单脉冲工作方式。脉冲信号通过p u l s i 、p u l s 2 进入驱动器，则电机按c w 方向旋转。若通过s i g n l 、s i g n 2 进入驱动器，则电机按c c w 方向旋转。脉冲频 率控制电机的旋转速度，脉冲数控制电机的角位移。 ( 3 ) 脉冲+ 方向指令 脉冲信号从p u l s i 、p u l s 2 进入驱动器，脉冲频率控制电机转速，脉冲数控 制电机的角位移。方向信号从s i g n l 、s i g n 2 进入驱动器，高低电平控制电机的 转向。 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 2 、速度控制模式( p r 0 2 = 1 ) 在速度控制模式中，上位控制系统通过s p d 、g n d 引脚给伺服驱动器输入一 个一1 0 v + 1 0 v 的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速 之间的速度变化。电机转速力和指令输入电压y 之间呈线性关系。 速度指令除了可以由外部模拟电压来输入外，还可以在驱动器内部用四个参 数设置四种内部速度。通过驱动器的两个开关输入信号的四种状态组合选择其中 一种。驱动器可由内部参数p r 5 2 对外部速度指令进行零漂调整。本文中的伺服 驱动器就是采用速度控制方式对伺服电机进行控制的。 3 、转矩控制模式( p r 0 2 = 2 ) 通过外加一1 0 v + 1 0 v 的电压，即可控制电机的转矩，与速度控制相似。 电机的额定转矩和输入电压之间呈线性关系，直线斜率可用驱动器内部参数设 置。伺服电机工作在转矩控制模式时，应限制其最大转速，以免驱动器产生过速 报警。这种工作方式主要用在对电机输出的转矩有要求而对其速度和位置没有要 求的场合。 2 3 伺服电动机的转速测量 2 3 1 光电编码器 光电轴编码器又称轴编码器，以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转 换，将输入的角位置信息转换成相应的数字代码，并与计算机等控制器及显示装 置相连接，实现数字测量、数字控制与数字显示。光电轴编码器具有较高的性能 价格比，已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高 精度闭环调速系统等诸多领域，是电动机等自动化设备理想的角度和速度传感 器。轴编码器主要分为增量式、绝对式与混合式三种，其中增量式轴编码器主要 用于测量转子速度，绝对式轴编码器主要用于测量转子的空间位置，混合式轴编 码器是增量式轴编码器与绝对式轴编码器的组合。后端加入处理芯片之后，三种 轴编码器都具有测量转子速度与空间位置的功能。 光涛 码盘捌光l 里 光藿秽砖携电j f 骞 姻“一冀二童 增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测部件和转换电 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 路组成，如图2 3 所示。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过 码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组 9 0 。电角度的近似于正弦或方波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理可得 到被测轴的转角或速度信息。 a 厂 厂 ：厂 b 厂 厂 厂 厂 乏厂 图2 4 增量式编码器的输出波形 增量式轴编码器的输出波形如图2 - 4 所示，增量式编码器输出有a 、b 正交脉 冲两路，零脉冲z 一路。a 相或b 相的每个脉冲代表被测对象旋转了一定角度，即a 相和b 相的脉冲当量为3 6 0 。n ，n 为被测对象旋转a 相或b 相发出的脉冲个数。a 相 和b 相的相位关系反映被测对象的旋转方向。z 相信标志脉冲号用作参考零位，码 盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累 量清零。 绝对式光电轴角编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，是 一种直接输出数字量的传感器。一般使用二进制码盘或格雷码盘，码盘上的码道 按一定规律排列，对应每一分辨率区间有唯一的二迸制数，因此在不同的位置，可 输出不同的数字代码。同增量式相比，绝对式光电轴角编码器具有固定零点，输 出代码是轴角的单值函数，掉电后再启动无须重新标定，无累积误差等优点u 引。但 绝对式光电轴角编码器制造工艺复杂，不易实现小型化。 2 3 2 转子速度的测量 1 、m 法测量转速 m 法是指在给定的时间间隔t 内，检测光电脉冲发生器每周产生n 个脉冲 信号，读取码盘脉冲个数m ，由m a t 计算出转速为 ，l ：6 0 l( 2 1 ) n l ? 当时间固定时，通过统计盘脉冲个数，可以得出转子旋转过的角度，再除以时间 即可得转子转速。首尾两个盘脉冲计数时可能产生误差，误差的大小为正负一个 盘脉冲的间隔。m 与转速正正比，转速越低，m 越小，测量误差率越大，测量精 度越低，故该方法适用于高速。 2 、t 法测量转速 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 计时法是以一个高频信号疋作为基准，测量编码器两个脉冲之间的时间间隔 t ：来计算出转速。设编码器每转产生n 个脉冲信号，设在编码器两个输出脉冲之 间计数器记录了m 个时钟脉冲，则坍疋是编码器输出脉冲的周期，故电动机转 动一圈的时间是所f ，电机转速为 ， 拧=60l(2-2) n m 在低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数m 多，误差率 小，故该法适用于低速。 3 、m t 法测量转速 m t 法测量转速的方法是综合了以上两种方法而成的。其原理如图2 5 所 示。它是用规定时间间隔，疋以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并 由此计数器值小，来确定检测时间r 。检测时间为 t = 疋+ 丁 ( 2 3 ) 检测时间h 。l 二斗竺量h 一 删叫删删匕二二二：二二二二二二二二二二二二二圳删l i l 。而_ 。 图2 - 5m r 法测速原理 设电机在t 时间内转过的角度位移为x ( r a d ) ，则实际转速为 ：一6 0 x ：鱼唑 ( 2 4 ) 5 丽2 丽i 面 喵1 7 如果电机每转动一周脉冲发生器输出n 个脉冲，在t 时间内，计数值为n t i ，则 角位移x = 2 r a n ，n 。同时考虑在检测时间t = 疋+ a t 内，由计数频率为六的 参考时钟脉冲来定时，且计数值为历：，则检测时间t 可表示为t = m ：六，于是 被测转速为 = 警( r m i n ) ( 2 - 5 ) 上式中的6 0 f n 为常数，在检测时间t 内，分别计取测速脉冲和时钟脉冲的个 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 数小- 和小z ，即可计算出电机转速值。计取t 时间内的测速脉冲的个数相当于m 法，而计取t 时间内参考时钟脉冲正的个数巩：相当于t 法，所以该测速方法兼 有m 法和t 法的优点。 2 4 伺服控制系统的p i d 调节方案 在半闭环控制方式中，伺服电机上的编码器既作为速度环也作为位置环。 运动控制器上的位置环通常采用p i d 控制，输出信号再转化为电压或脉冲信号给 驱动器。图2 6 所示为采用速度控制方式时，n 1 7 3 4 2 的伺服轴输出u 3 1 。 。，厂 j l 几厂1 门n 。 nr j 1 r 图2 - 6 伺服轴模拟输出 图2 7 是运动控制器中通常采用的p i d 调节原理框图，虚线框中的速度调节 器和电流调节器的功能由电机驱动器实现。电流环用来提高系统的动态响应指 标，增强系统抗干扰能力；速度环用于根据指令速度调节伺服电机的实际转速， 保证电机的转速与指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响；位 置环包括位置p i d 调节和速度、加速度前馈，产生电机的速度指令并使电机准确 定位和跟踪，由运动控制器底层程序完成。可根据位置偏差调节电机的指令速度， 实现精确定位、回零等；输出饱和控制主要在软件中实现，可保证输出电压不会 超过设定范围；静差补偿贝u 可以消除由于放大器的零点漂移带来的偏差。速度环 和电流环分别在速度控制模式和转矩控制模式下发挥作用，因此在运动控制器采 用的速度控制模式中，主要由速度环和位置环构成双闭环。 图2 - 7 伺服电机p i d 调节原理框图 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 设u 。为d a 转换器的指令速度输出值，e 。为第”个采样时刻的位置偏差， ( e 。) ，为第卯个采样时刻的指令位置，( 疋删) 。为第栉个采样时刻实际位 置，巨，为第刀个采样时刻累积误差值，k 哗，为当前目标速度，a c c 懈“表 示当前目标加速度，b 表示电机静差补偿，则： e 。= ( 只哪“) 。一( 耐) 。 ( 2 6 ) u 。= e ，k p + ( e 。一e ，i ) k d + k ，巨+ v ，= g e t + a c c ，。g 。，彳+ b ( 2 7 ) 1 = 0 其中，k ，墨，蟛，彳矿分别表示比例增益、积分增益、微分增益、速 度前馈增益和加速度前馈增益。控制作用的强弱取决于比例增益，它相当于系统 的刚度，比例增益越大，调节速度越快，但会增加系统的超调；积分调节的作用 是消除系统输出的静差，但会降低系统响应速度，增加系统输出的超调；微分调 节的作用是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大，因此微 分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。速度前馈和加速 度前馈可以提高系统的跟踪性能，减小跟随误差。 增量式脉冲编码器一般产生a + 、a _ 、b + 、b 、z + 、z 一、三对差分信号，差 分信号处理电路可以将三对信号进行整形、放大转变成a 、b 、z 三相信号。a 相和 b 相信号则由两组相差为9 0 。的近似正弦信号变成两组相差为9 0 。的正交编码 脉冲，相角超前与滞后对应电机的两个转向，频率对应电机的转速，脉冲数对应 电机的角位移。正交编码脉冲由4 倍频电路产生4 倍频脉冲信号，再通过增减计 数器对4 倍频脉冲信号进行计数，可以方便得获取电机的实际位置n 别。同时，通 过m t 测速法，根据在一个伺服周期t ( s ) 内电机转过的脉冲数n ( p u l s e ) 可以计算 得到电机的转速。例如对于一个2 5 0 0 p u l s e r 的增量式编码器的伺服电机，其速 度v ( r p m ) 计算方法为： 。v ： 竺型 r p m( 2 - 8 ) 2 5 0 0 4 t 2 5 多轴运动控制器 2 5 1 多轴运动控制器的分类 。 1 、基于计算机标准总线的运动控制器 基于总线的运动控制器是利用计算机硬件和操作系统，并结合用户开发的 应用程序来实现的。总线形式上主要有i s a 接口、p c i 接口、v m e 接口、r s 2 3 2 接口和u s b 接口等。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可完成 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制 | 简介 运动规划，高建实时插补，伺服滤波控制和伺服驱动，外部 o 之间的标准化通 朋接i j 功能。问时随控制器还提供功能强大的运动控难软件库：c 语言运动函数 库、w in d o w si ) l l 动态链接库等，可供用户根据不同的需求，在w i n d o w s 等平台 f 日行开发应用软件。如美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器，英国阿沃 德公司的t r i o 运动控制卡，固高科技( 深圳) 有限公司的g t 系列运动控制器产品 和美国n i 公司的m 系列运动控制器等都是这类产品。从用户使用的角度来看， 这些基于p c 机的运动控制器之闻主要是硬件接1 3 ( 输k 输出信号的种类、性能) 和软件接1 ：3 ( 运动控制函数库的功能函数) 的差异。 2 、s o f t 型开放式运动控制器“” 这种控制器提供给用户很大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中， 而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口，如同计算 机中可咀安装备种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在 w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的 控制功能。构成各种类型的高性能运动控制系统。基于s o f t 型开放式运动控制 器开发的典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o l 3 ) 公司的p a s o o o n t 美国s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器和固高科技( 深 圳) 有限公司的g o 系列运动控制器产品等。s o f t 型开放式运动控制的特点是开 发、制造成本相对较低能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 3 ，嵌a 式结构的运动控制器“” 这种运动控制器是把计算机嵌人到运动控制器中的一种产品，它能够独立 运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线 结构的运动控制器的一种变种。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、 p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。 2 52 多轴运动控制器n i7 3 4 2 1 、n 1 7 3 4 2 的物理结构和硬件特性 造波机系统中采用的运动控制器n 1 7 3 4 2 为一款典型的基于p c i 总线的两轴 运动控制器产品，为美国n i 公司生产，它的实物结构如图2 8 所示。 图2 - 8n 1 7 3 4 2 实物结构图 第二章交流伺服控制系统及其多轴运动控制器简介 n i7 3 4 2 的物理特性主要是： ( 1 ) d u a lp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e 它采用双处理器+ f p g a 的结构。板上3 2 位的 c p u 和d s p 构成控制器的核心，多任务c p u 主要负责与主机的通讯、命 令处理、多轴协调、错误处理和数字i 0 控制等功能，d s p 实现闭环控 制，包括位置跟踪、p i d 闭环计算和运动轨迹规划。运动i o 采用f p g a 实现，实现与编码器反馈和外部i o 信号的交换，包括限位、回零开关， 位置触发和位置捕获等。 ( 2 ) e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r m i n gs y s t c m 运动控制器上的c p u 嵌有实时操 作系统，这样控制器的功能也类似于台电脑，它同样支持任务优先级 的功能。 ( 3 ) t r a j e c t o r yg e n e r a t o r s 当轴运动到目标位置时，轨迹发生器计算瞬时位 置，然后给p i d 伺服环或步进脉冲发生器。n 1 7 3 4 x 系列控制器的d s p 内 有8 个轨迹发生器( 每轴2 个) ，每个p i d 周期内每个发生器为轴计算一 个瞬时位置值。在点对点直