（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的智能双轴交流伺服控制系统.pdf

东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控书l 系统 计的核心是利用a u t o m a t i o ns t u d i o 软件中的a n s i c 进行编程，把b p 神经网络算 法应用到控制程序，利用b p 神经网络分别对各个伺服驱动器的位置、速度调节器 p i d 参数进行在线整定和优化，然后使伺服驱动器以上述整定的p 1 d 参数运行。 在运行过程中b & r2 0 0 0p c c 作为数控管理器，将主轴伺服驱动系统的光电编码 器信号通过c a n 总线以网络广播的方式传输给所有从轴伺服驱动器，从而使每个 从轴伺服驱动系统对主轴实现位置和速度的随动控制，达到精确的随动控制性能。 从仿真和实验的结果来看，b p 神经网络p i d 控制具有很好的自适应性和鲁棒 性。本控制系统与传统p i d 控制系统相比，具有p i d 参数自动进行整定和优化的 特点；所以对于没有大量实际整定经验的工作人员来说，也可以熟练地进行操作。 由此可见，本课题无论从研究角度还是从应用角度都有一定的实际价值和意义。 关键词：双轴伺服控制，p i d 控制，c a n 总线，p c c ，b p 神经网络p i d 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 i n t e l l i g e n tt w o a s e sa cs e r v oc o n t r o l s y s t e mb a s e do nc a nb u s a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c et e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h e p r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，p o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a n dm o t o rm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , s e r v oc o n t r o l t e c h n o l o g yh a s b e e n a p p l i e d i nl o t so fa r e a so fa d v a n c e ds c i e n c e t e c h n o l o g y ；f o re x a m p l el a s e rm a c h i n i n g ，r o b o t ，n u m e r i c a lc o n t r o lt o o l ， l a r g ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g ym a n u f a c t u r e ，o f f i c ea u t o m a t i o nf f f c i l i t y , f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r a d a ra n dm a n yk i n d so fs e r v os y s t e m sf o r m i l i t a r ye q u i l ； m e n t se t c s i n c e2 0c e n t u r y9 0 s ，a cs e l v oc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l y g r o w nu p ，a n d i t s p e r f o r m a n c e h a sb e e n g r a d u a l l yi m p r o v e d ；t h e p e r f o r m a n c eo fa cs e r v oc o n t r o ls y s t e m sa p p l y i n ga cm o t o rc a nb ea s g o o da st h a to fd cs e r v oc o n t r o ls y s t e m s ，s ot h eo w na d v a n t a g e so fa c m o t o ra r ee x e r t e d ，a cs e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m ean e we v o l u t i o n d i r e c t i o no fm o d e r ns e r v oc o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n t ，a cs e r v oc o n t r o l s y s t e mh a sw i d e l ya p p l i e di na u t o m a t i o na r e a ，f o re x a m p l en cm a c h i n e ， 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 s t e e lr o l l i n ge q u i p m e n t ，p a p e rm a k i n g e q u i p m e n ta n dw e a v em a c h i n ee t c t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sr e s e a r c h i n gi n t e l l i g e n tt w o a x i sa cs e r v o c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u si nt h eb a c k g r o u n do fr o t a r ys c r e a m p r i n t i n g t h i sp a p e rd i s c u s st h ec o n t r o lm e t h o d so fi n t e l l i g e n tt w o a x i sa c s e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u sb ys t u d y i n gt h et h e o r ya n df l a m e o fa cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，b e i n gf a m i l i a rw i t hf i e l db u st e c h n o l o g ya n d r o t a r ys c r e a mp r i n t i n gt e c h n o l o g y ；t h i sp a p e rh a v ead e e p s e a t e dr e s e a r c h f o ra c c u r a t ep o s i t i o ns e r v oa n da c c u r a t es p e e ds e r v o a tf i r s t ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp m s m ，t h e n p m s mi ss i m u l a t e db ys i m u l i n ka tm a f l a b ，t h er a t i n gp a r a m e t e r so fp m s m a d o p tt h er e a lp a r a m e t e r so f8 m s a 4 s r 0 - 3 0s e i v om o t o rm a d ei na u s t r i a b & ra n dr o t a r ys c r e a mp r i n t i n gm a c h i n e ；t h e np r o v i d e ds i m u l a t i o nt e s tf o r p m s mc o n t r o l l e db yt h r e ec l o s e dl o o p so fc u r r e n tl o o p ，s p e e dl o o pa n d p o s i t i o nl o o p ，a n dp i dp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e db ye x p a n s i o nc r i t i c a ls c a l e m e a s u r e ；t h e nt h ep i dp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n ds e l f a d j u s t e d ，w h i c h i m p r o v ea cs e r v om o t o r sp o s i t i o na n ds p e e da c c u r a c ya n ds e l f - a d a p t i v e ， t h e nt h es e r v op e r f o r m a n c ei se x a m i n e db yt h ep a r a m e t e r s ，a n dt h ee f f e c ti s s a t i s f i e d a tl a s t ，t h eh a r d w a r eo ft w o a x i s e ss e r v oc o n t r o ls y s t e mi sm a d e u po fb & r2 0 0 0p c c ，c a nb u s ，s e r v od r i v e ( a c o p o s1 0 2 2 ) a n ds e r v o m o t o r ( 8 m s a 4 s r 0 3 0 ) ，i t sc o n t r o ls t r u c t u r ec o n t a i n e dp o s i t i o nl o o p ， s p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o p ，w h i c hi sr e s e a r c h e do nb yi n t e l l i g e n tc o n t r o l a r i t h m e t i c s o f t w a r ec o r eo ft h i sp a p e ri st h ep r o g r a mw r i t t e nb ya n s i ci n 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 a u t o m a t i o ns t u d i o ，b pn e u r a ln e t w o r k sa r eu s e di nc o n t r o lp r o g r a m m e ，t h e p i dp a r a m e t e r so fe v e r ys e r v od r i v e s p o s i t i o n c o n t r o l l e ra n d s p e e d c o n t r o l l e ra r ea d j u s t e da n do p t i m i z e di no n h n em e t h o d ，t h e ns e r v od r i v e s w o r k e da tt h ep i dp a r a m e t e r s b & r2 0 0 0p c cw e r eu s e da san c m a n a g e r , w h i c ht r a n s m i t st h ep h o t o e l e c t r i c i t ye n c o d e rs i g n a lo fm a s t e ra x i ss e r v o d r i v es y s t e mt oa l ls l a v ea x i s e sb ym e a n so fn e tb r o a d c a s t i n gw i t hc a n b u s ，t h e r e b yw h i c hm a k ee v e r ys l a v ea x i s e sa c c u r a t e l yf o l l o w i n gm a s t e r a x i s ，s op e r f e c tc o n t r o lc a p a b i l i t yc a nb er e a l i z e d a n a l y z i n gt h er e s u l to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，b pn e u r a ln e t w o r k s p i dc o n t r o lh a sg o o ds e r f - a d a p t i v ea n ds t r o n gr u b s t n e s s t h i sc o n t r o l s y s t e mh a st h ev i r t u e o fp i dp a r a m e t e r s a d j u s t i n g a n d o p t i m i z i n g a u t o m a t i c a l l yc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l s y s t e m ，s o i n e x p e r i e n c e dw o r k e r sa l s oo p e r a t et h ec o n t r o ls y s t e me x p e r t l y t h u si tc a n b es e e nt h a tt h ep a p e rh a ss o m ep r a c t i c a lw o r t ha n dm e a n i n gi nr e s e a r c ha s w e l la si na p p l i c a t i o n l uj i a n q i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o n ) s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f s u np e i d e k e yw o r d ：t w o a x i s e ss e r v oc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，c a nb u s ，p c c ， b p n np i dc o n t r o l v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名少幽襄 e t 期：2 一，1 年2 月2 。f - 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本 人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：夕建建指导教师签名 触淳 日期：乏m 夕年2 月，2 归日期：厶m f 年工n m y l e i 东华大学基于c a n 总线的智能奴轴交流伺服控制系统 第一章绪论 众所周知，自动控制系统按控制特征大致可以分为四类：运动控制、过程控 制、顺序控制、随机控制；其中运动控制在工业生产中的作用举足轻重，而伺服 控制就是运动控制中的个重要分支。尤其2 1 世纪以来，市场对伺服控制产品的 需求方兴未艾，各行各业都对伺服控制产品有着越来越旺盛的需求，同时人们对 伺服控制系统性能的要求也越来越高。 在印花、经纱、轧钢、造纸、薄膜等具有批量生产的工业领域中，其设备大 多数是两个或多单元联合工作的传动装置，经常遇到两轴或多轴的同步控制问题， 即要求这些设备的控制装置驱动两个或多个电动机同步运行，以保证工业生产的 正常进行。所以对双轴、多轴的伺服控制系统进行系统的研究是极其必要的，同 时，它也是运动控制研究领域的一个重要研究方向1 。 l 1 课题背景 在传统的圆网印花中，经常有套花不准的现象，这是由于圆网印花机位置定 位不准而造成的；具体讲，这是由于圆网印花机的伺服控制系统不稳定造成的。 本课题的研究目的就是为了提高圆网印花机在双机传动下的伺服控制性能，圆网 印花的工作示意图如图1 1 所示： 图1 - - 1 圆网印花的： 一作示意图 其中，和，分别为两个滚筒的角速度，伺服控制的目的就是使这两个滚筒 不仅在位置准确跟踪，而且在角速度上也必须随动。 东华大学 基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 以印花设备为例，目前我国的印花设备主要采用同步伺服系统，其形式主要 有两种，一种是共电源方式，另一种是分电源方式。 所谓的共电源方式是指所有伺服单元的电动机由一个共用可调的直流电源进 行供电，电动机运行的速度随着该电源的变化而变化：每个伺服单元的恒定张力 由松紧架调节磁场来进行调节。其优点是简单经济，其缺点是速度反应性差、低 速同步协调能力差，并且电动机的功率不能得到充分地利用 2 1 。 所谓的分电源方式是指每个伺服单元都由自己的电源进行供电。这种方式适 应性较好，调速范围也较大；但是每个伺服单元都必须要配备一个整流装置，其 投资较大，其维修也比较困难。 此外，还有两种比较特殊的的染花设备；一种是混合电源方式的直流电动机 同步拖动系统，例如荷兰斯托克( s t o r k ) r d i v 型圆网印花机；另一种是数 字调速直流电动机同步拖动系统，例如西德门富士( m o n f o r t s ) m b k s d m - - 2 0 2 0 圆网印花机1 3 1 。 p i d 控制是目前应用最广泛的一种控制算法，它具有结构简单、计算量小、实 时性好、鲁棒性强、易于实现等一系列优点；所以，目前设计交流伺服控制系统 的基本方法仍然是p i d 算法。但是传统的p i d 控制设计，需要被控对象的精确数 学模型。而实际中的交流伺服电动机是一个高阶、时变、非线性、强耦合的多变 量复杂系统。很难用精确的数学模型加以描述；所以设计一个性能优良的纯粹p i d 控制系统十分困难。并且，纯粹p i d 控制系统存在一个致命的缺点，那就是比例、 积分、微分参数不能随意修改。但是，如果把神经网络控制和p i d 控制结合起来， 通过神经网络对p i d 控制参数进行自动地调整和优化；则可以很好地改善p i d 控 制器的控制性能，从而提高伺服控制系统的控制精度、鲁棒性和自适应性 3 1 。 一般地，在伺服控制系统中，控制电动机通常采用步进电机，但是本课题所 设计的伺服控制系统所采用的控制电动机是永磁同步伺服电动机。因为步进电机 的脉冲当量是不可能很小的，因此其定位精度也不会很高。而永磁同步伺服电动 机的脉冲当量比步进电机的脉冲当量小得多，所以采用永磁同步伺服电动机作为 执行元件的伺服控制系统会具有更高的定位精度。此外，随着计算机c p u 性能的 不断提高，采用软件编程来提高伺服电动机的定位精度已经成为伺服控制的一个 重要发展方向“1 。 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 1 2 伺服控制系统的研究芳向及现状 伺服控制技术是随着电力电子技术、计算机技术和先进控制理论的发展而逐步 发展起来的。2 0 世纪初，真正意义上的伺服控制系统才刚刚出现1 5 1 。伺服控制系 统发展初期，其执行元件一般都是直流伺服电动机；后来，由于矢量控制理论和 直接转矩控制理论的出现，才出现交流伺服电动机逐渐取代直流伺服电动机的趋 势。 1 2 1 伺服控制系统的研究方向 从伺服控制系统的发展过程来看，其主要经过了直流伺服控制和交流伺服控 制两个阶段；目前，高性能伺服控制系统的研究主要集中在以下几个方面陆1 ： 1 交流调速技术 由于技术理论和物质材料的原因，以前的伺服控制系统多采用直流电动机。 童流电动机的控制方式简单，容易实现，但其需要采用电刷、机械换向器，所以 存在易损耗、维护难、且有火花干扰，功率密度不能做得很大等大量缺点，因此 羹很难应用在大功率控制的场合。由于交流电动机具有体积小、重量轻、可靠性 蒿和易维护等一系列优点，所以受到人们的广泛注意。随着交流伺服控制技术的 日益成熟，交流电动机已经逐渐取代了直流电机的主体地位，成为伺服控制系统 发展的主流。 2 计算机控制技术 随着社会生产的发展，人们对自动化设备的要求越来越高。然而，常规的模 拟控制装置限制了伺服控制系统的控制精度。此外，模拟伺服控制系统主要由硬 件构成，所以不能发挥软件的优势，很难应用现代控制理论的研究成果来改善系 统的控制性能，因此模拟伺服控制系统很难满足高性能的控制要求。由于微电子 技术的发展，近代出现了电子计算机；其具有精度高、速度快、存储量大以及逻 辑判断能力强等优点，可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精确的控制效果。 因此将计算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服控制系统的一个环节； 在伺服控制系统中利用计算机来完成系统校正，改变系统增益、带宽，完成系统 管理、监控等任务，使系统向智能化方向发展。因此，计算机和伺服控制系统相 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 结合是近代交流伺服控制的一个重要研究方向。 3 新型控制理论 现代控制理论向着“大系统理论”和“智能控制理论”两个领域发展，前者 是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论” 是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计、系统分解方法 以及系统协调等问题的技术基础理论：而“智能控制理论”是人工智能、控制理 论和运筹学三者的有机结合。由于智能控制的本质是非线性控制，同时具有对复 杂系统逐步学习认知的能力，并有很强的鲁棒性；因此对于经典控制理论难以解 决的非线性、复杂结构和不确定性的系统具有很好的适应性，并显示了强大的生 命力。因为交流伺服电动机是一个时变、强耦合的非线性系统，所以把新型控制 理论应用在交流伺服控制系统中也是人们极其关注的一个研究领域。 4 全闭环控制系统 在实际应用的闭环控制系统中，有两种不同的闭环方式，当位置量反馈取自 电机侧，位置闭环不包括负载和动力传动轴部分时，称这种控制系统为半闭环系 统：当位置反馈取自负载侧，位置闭环包括负载和动力传动轴部分时，称这种控 制系统为全闭环系统。半闭环系统由于在位置闭环中避开了动力传动轴和齿隙， 所以其稳定性比全闭环系统要好，可适当增大环路增益以提高系统的跟踪精度。 但是，由于半闭环系统中位置传感器所测量的位置并不是真正的负载位置，所以 从位置传感器到负载之间的传动误差和齿隙将直接影响负载的定位精度。全闭环 系统中位置传感器测量的是负载真正的位置，齿隙及传动误差并不直接反应到负 载的定位精度上，仅作为一种非线性因素对系统产生影响，但是这种非线性因素 会对整个系统的稳定性带来不利影响；因此研究全闭环控制理论有极其重要的理 论意义和实际价值。 1 2 2 多轴伺服同步的控制方法 目前，在自动控制技术领域，伺服控制是用途最广泛且系统最复杂的控制任务 之一：其原因在于生产过程速度在不断地提高，而且制造业对加工精度和实现敏 捷制造提出的要求也越来越高。伺服控制的共同点是它们需要至少一根轴的精确 4 东华大学 基于c a n 总线的智能双轴交采伺服控剃系统 定位；此轴可以相对于某一根主轴进行精确定位，也可以相对于某一坐标系统进 行精确定位。 主轴定位是针对一个或者多个从轴而言；一般地，可以把这种定位分成电子 齿轮传动和电子凸轮仿形两种。电子齿轮传动只提供线性传动关系，而电子凸轮 仿形能够实现利用点或者函数定义的复杂传动关系：每一根从轴的位置是主轴的 一个直接函数。电子凸轮仿形通常只定义一根主轴的确定范围，也可以利用圆周 重复得到扩展。利用这个定义，主轴前进或者后退时，从轴都跟随电子凸轮而运 动。此外，一些工程应用需要虚轴，但是这些虚轴完全由软件来模拟 6 3 0 1 2 3 运动控制器国内外发展现状 为了满足对多轴运动控制系统迅速发展的要求，世界各国的自动化设备生产 厂商都陆续推出了自己的多轴运动控制器产品。近几年来，国外的多轴运动控制 器发展很快，但是目前国内在这个领域的发展还比较缓慢，只有少数的厂家开始 应用国外比较成熟的多轴运动控制产品；目前，在市场上比较流行的多轴运动控 镐器主要有以下几种 1 ： ，奥地利贝加莱公司的计算机控制器p c c 法国施耐德公司的p l c 美国p m a c 多轴运动控制器 日本松下多轴运动控制器 德国德国m o v t e c 多轴控制器 1 3 论文的主要研究工作 本课题所设计的伺服控制系统采用交流数字控制方式，利用c a n 总线做通信 平台，伺服电动机的控制采用b p 神经网络p i d 控制：其中，需要解决的技术核心 问题是双电机的同步跟踪问题。 第一章着重介绍了本课题的工程背景和目前伺服控制系统的发展趋势以及当 前市场上流行的多轴运动控制器的种类。 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 第二章主要介绍了伺服控制系统的一些基本概岔和控制结构：对伺服控制系 统的起源和发展进行了简要的回顾；最后详细叙述了伺服控制系统的主要设计步 骤和主要性能指标。 第三章对三相永磁同步电动机( p m s m ) 进行了较深层次的研究。首先根据交 流同步电动机矢量控制原理对p m s m 进行数学建模，并绘制了三闭环控制结构的 方框图；接着根据伺服电动机8 m s a 4 s r 0 3 0 的实际参数对其进行s i m u l i n k 仿 真实验，实验结果能够满足其额定数据。 第四章对b p 享申经网络和b p 神经网络p i d 控制进行了详细地探讨。首先，简 要回顾了智能控制和神经网络的发展历程；然后介绍了神经网络的工作原理及其 基本概念；接着叙述了b p 神经网络的设计方法和步骤；然后又介绍了在m a t l a b 环境下的b p 神经网络p i d 自整定程序，并给出了p i d 参数整定曲线；最后利用 b p 神经网络整定的p i d 参数对三闭环伺服控制系统进行s i m u l i n k 仿真，并对 仿真曲线进行了详细分析。 第五章主要介绍了基于c a n 总线的双轴交流伺服控制系统的硬件及其控制结 构。首先介绍了c a n 总线的发展概况和工作原理及其优缺点：然后对b & r 2 0 0 0 p c c 及其i 0 的特性进行了简要概述；给出了伺服驱动a c o p o s l 0 2 2 - 2 的接线图， 最后绘制了系统的硬件结构示意图和控制原理示意图。 第六章对基于c a n 总线的双轴交流伺服控制系统软件进行了深入研究。首先， 对系统的软件环境a u t o m a t i o ns t u d i o 和凸轮仿形的工作原理进行了简单介绍；然 后对系统软件编程步骤进行了详细描述和解释；最后把第四章的b p 神经网络p 1 d 自整定程序融入系统的控制程序，利用系统自身的示波器进行了速度和位置的跟 踪实验，实验曲线表明本系统的随动性能够满足圆网印花的工程要求，并且具有 p i d 参数白整定的功能。 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 第二章伺服控制系统的发展及控制策略 伺服控制是运动控制的一个重要分支，伺服控制系统主要用于各种精确的运 动控制。伺服控制系统在实际生产过程中，以及在定位、瞄准、跟踪、信号传递 和接收等各种装置中，都占有十分显著的地位。 随着现代科学技术的飞速发展，尤其是微电子技术、计算机技术、电力电子 技术和电机制造技术的飞速发展，使得位置和速度伺服控制系统在许多技术领域 得到应用，例如数控机床技术、机器人技术、激光j j n t - 技术、大规模集成电路制 造技术、雷达跟踪技术、各种军用随动系统以及柔性制造系统等都要应用伺服控 制系统1 8 1 。 2 1 伺服控制系统的发展趋势 伺j 匣( s e r v o ) 这一术语，最早源于拉丁语s e r v u s ，是奴隶( s l a v e ) 或奴4 b ( s e r v a n t ) 的意思；所以伺服控制的含义就是使机械设备像奴隶一样忠诚地按照输入指令进 行动作。伺j ( s e r v o ) 作为专业术语最早出现在1 8 7 3 年法国工程师j j l e o n f x a r c o t 编著的 里面；在该书中，f a r c o t 描述了在轮 船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达工作原理。直到1 9 3 4 年，伺服控制的概念才被正 式提出，其中电机控制技术是伺服控制的核心。 2 1 1 伺服控制系统的定义 所谓的伺服控制系统就是一种以直线位移和角度旋转为输出的一种自动控制 系统；它能够自动地、连续地、精确地、快速地复现输入指令的变化规律；通常 伺服控制系统又称随动系统t 1 o 我们一般所说的伺服控制系统是狭义上的伺服控制系统位置伺服系统； 但从广义上讲，伺服控制系统的输出量不一定是位置量，也可以是其它的物理量， 例如电流、力矩、速度和加速度等。 一般伺服控制系统都具有位置环和速度环，其结构图如下所示： 东华大学 基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 野了署甲孚呼曰丁 = 2 1 2 伺服控制系统发展历程d 随着科学技术的飞速发展，人们在微电子技术、计算机技术、电力电子技术、 电机制造技术等领域都取得了巨大的进步，特别是在控制理论方面的突破和发展， 使得伺服控制技术在许多高科技领域中得到广泛的应用；例如各种数控机床、工 业机器人、大规模集成电路制造、载人宇宙飞船、柔性制造以及家用电器等领域 的应用也日益广泛。 从2 0 世纪6 0 年代开始，电气伺服系统开始逐渐取代液压伺服系统。但是在 7 0 年代以前的电气传动伺服控制的执行机构大部分是功率步进电机，结构上属于 开环控制，控制的精度不高。7 0 年代到8 0 年代中期，直流伺服系统一寅占据主导 地位。直流伺服系统的优点是输出转矩可以线性控制，响应速度快，无超调，可 以方便的实现正转和反转；定位精度和跟踪精度都比较高，可以在很宽的范围内 实现无级调速；具有良好的输出特性，刚性好，速度稳定性高，所以长期以来直 流伺服系统一直占据伺服控制的主导地位。但是在实际应用中，人们发现直流电 动机有许多缺点：电机的电刷和换向器很容易磨损，有火花干扰，结构复杂，需 要经常维护。 为了克服直流电机的这些缺点，人们开始不断地研究交流电机调速和交流伺 服控制。2 0 世纪8 0 年代，伺服控制技术进入交流伺服时代：大约在8 0 年代末， 交流伺服系统已经取代直流伺服系统成为伺服控制系统的主导。 交流电动机结构简单、体积小、重量轻，其转动惯量要比直流电动机小的多， 但是输出的功率要比同体积的直流电动机大的多，并且其动态响应比较好。但是 交流电动机的调速要比直流电动机复杂的多，这就使得在短期内交流伺服系统不 可能完全取代直流伺服系统；所以在一定时期内，交流伺服系统和直流伺服系统 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 会同时存在。 近年来，随着永磁材料性能的提高和价格大幅度的降低，以永磁同步电动机 为执行元件的伺服系统已经成为交流伺服系统的主导。永磁同步伺服系统中，应 用比较普遍的永磁同步电动机有两种：无刷直流电动机( b d c m ) 和永磁同步交 流电动机( p m s m ) ；前者一般采用方波电流进行驱动，而后者一般采用- - $ h 正弦电 流进行驱动。由于永磁同步伺服系统在工作原理上能够克服无刷直流伺服系统的 一些固有缺点，控制也比较方便，可以应用到许多高精度、高性能的控制场合； 例如工业机器人、高精度数控机床和航空航天技术等领域；所以目前国内外对永 磁交流伺服技术的研究也主要集中在p m s m 伺服系统上。目前比较常用的几种伺 服控制系统的性能比较1 ： 类型 指标直流伺服系统永磁同步伺服系统异步交流伺服系统 、电机结构结构复杂比较简单简单 缀大转矩 整流火花、永磁体退化永磁体退化无特殊要求 泼热情况 转子发热只有定子线圈发热定子何转子均发热 高速化稍困难比较容易容易 大容量化困难稍困难容易 制动容易容易较容易 控制方法简单稍复杂复杂 磁通产生 永磁体 永磁体 二次感应磁通 环境适应性受火花限制好好 维护性较麻烦无需维护无需维护 表2 1 几种伺服控制系统的性能比较 2 1 3 伺服系统与调速系统的关系u 1 位置伺服系统与电动机调速系统有着紧密的联系，但是又有明显的不同。一 般来讲，人们对调速系统的要求只是希望有足够的调速范围、稳态精度和快且平 稳的起动、制动性能；调速系统工作时，都是以一定的速度精度稳定在调速范围 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 内某一固定的转速上平稳运行；调速系统的主要控制目标是使转速尽量不受外部 负载变化、电源电压波动以及环境温度变化等干扰因素的影响。而对于位置伺服 系统而言，一般是以足够的位置控制精度( 定位精度) 、位置稳态误差( 跟踪精度) 和足够快的跟踪速度来作为主要控制目标：系统运行时要求能以一定的精度随时 跟踪输入指令的变化，因此在伺服控制系统中伺服电动机的运行速度通常是不断 变化的。由此可见，伺服控制系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通调速系统 严格锝多。仅当位置伺服系统的指令形式为斜坡函数的时候，即相同时间移动的 距离或转过的角度相等的时候，其运行特性和控制特性才与一个普通调速系统相 似。 2 2 伺服控制系统的分类及其性能指枥 位置伺服系统阿根本仕务是买士兕执仃 ) l 构对位置指令的快速、准确跟踪，即 当给定量随机变化时，系统能使被控变量快速准确地跟踪并复现给定量。虽然伺 服系统因应用场合的不同，其性能指标会有所侧重和差异；但是对于稳定的、高 定位精度的伺服系统，在控制性能上有两个基本的要求：一个是具有稳定平滑的 动态响应，不出现超调和振荡；另一个是要具有较小的稳态位置误差和动态位置 跟踪误差。 2 2 1 伺服控制系统的分类n 根据伺服控制系统的结构特点，伺服控制系统主要有以下四种基本的类型： 丌环伺服位置控制、半闭环位置伺服控制、全闭环位置伺服控制以及混合闭环位 置伺服控制；在位置伺服系统的上述四种基本结构形式中，半闭环结构是当前应 用最为广泛的结构。根据伺服控制系统工作信号来分类，可以分为模拟伺服系统 和数字伺服系统：目前，数字伺服系统是伺服系统发展趋势；因为早期的半闭环 位嚣伺服系统全部是采用模拟元件构成的；其主要缺点： 微弱信号的信噪分离因难，很难将控制精度提高到1 以上的级别； 在零点附近容易受到温度漂移的影响，从而使位置控制产生零点漂移误差。 模拟伺服系统的这种本质缺陷使它很难满足高精度的伺服控制要求，所以， 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 目前己逐渐被数字伺服系统所取代。与模拟伺服系统相比，数字伺服系统的 主要特点： 可以通过增加数字信息的位长，达至4 要求的控制精度； 对逻辑电平以下的漂移、噪声不予响应，可以充分保证零点定位精度； 很容易和计算机进行数据交换。 2 2 2 伺服控制系统的性能指标 一般地，位置伺服系统性能的好坏，可用位置环增益进行衡量。位置环增益 与伺服电动机和电动机所带负载有密切的关系：通常伺服控制系统的位置环增益 愈高，位置跟踪误差愈小；但在速度指令输入发生突变时，其输出变化愈剧烈， 对机械负载的冲突也愈大。 当系统对输入信号的瞬态响应过程结束以后，在稳定运行时伺服系统孰行电 ，动机的实际位置与期望位置之间的误差被定义为系统的稳态位置跟踪误差，闭环 佩服系统简要框图 1 1 1 兰兰三r 图2 - - 2闭环伺服系统简要框图 其中，g ( s ) 为单位反馈系统的开环传递函数；r ( s ) 为系统参考输入：e ( s ) 为 闭环控制系统的偏差信号。根据线性系统理论，在闭环单位反馈系统中，误差信 号同输入信号之间的关系为： 邵) - 器( 2 - - 1 ) 在闭环单位反馈系统中，稳态误差为： = l i m 兰黑( 2 - - 2 ) s d 1 + g f 5 ) 因为位置伺服系统的结构框图为单位反馈形式，所以上述即代表伺服系统 的稳态位置跟踪误差。由此可知，位置伺服系统的位置跟踪误差不仅与系统本身 东华大学基于c a n i - 线的智能双轴交流伺服控制系统 结构有关，还取决于系统的输入指令形式。因此，要评价一个位置伺服系统的跟 踪性能，必须根据它的应用场合确定种标准的输入指令形式。一般地，不同应 用领域所选定的输入指令形式是不一样的。对于数字位置伺服系统，为了保证系 统工作稳定、响应快速而且没有位置超调，通常选用阶跃信号作为输入信号1 1 2 1 0 一般地，在工程上对伺服系统的技术要求十分具体，由于伺服系统所服务的 对象不同，用途各异，因而对系统要求也有差别，归纳起来主要有下面几条： 对伺服系统的工作体制、可靠性、使用寿命等方面的要求； 伺服系统需要合适的工作条件，例如合适的温度、湿度，能够防潮、防辐射、 抗震动、抗冲击等： 对伺服系统的体积、结构、容量、外形、安装等方面的限制； 对伺服系统的制造成本、运行经济特性、标准化程度、技术支持、能源条件等 方面的限制。 一般地，伺服系统的稳态性能指标主要有下面几条： 静态误差巳对闭环控制的伺服系统而言，按照线性理论分析系统应该是 无静差系统，但实际系统的测量装置分辨率有限，系统拖动被控对象运动总是 存在摩擦的，这些都是造成实际系统存在静差的原因； 速度误差气伺服系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与输入轴之间的 转角差； 最大跟踪误差e 。伺服系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输 入轴时，在同一时刻，两轴之间的最大差值： 最低跟踪角速度q 。伺服系统输1 t i 轴平稳跟踪输入轴匀速运动时，系统 输出轴不出现明显步进现象所能达到的最低速度； 最大跟踪角速度q 。伺服系统输出轴平稳跟踪输入轴匀速运动时，且不 超过巳的前提下，系统所能达到的最大角速度； 最大跟踪加速度。伺服系统输出轴平稳跟踪输入轴匀速运动，在不超 过e 。的前提下，系统所能达到的最大角加速度： 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流饲服控糊系统 最大角速度q 。在不考虑跟踪精度的前提下，伺服系统输出轴所能达到 的极限速度。 一般地，伺服系统的动态性能要求主要有下面几条昭1 ： 系统应该时渐进稳定的，并应该具有一定的稳定裕度。 在典型信号的输入下，系统的时域响应特性要满足规定的要求，使用最多的时 在零初始条件下，系统对阶跃信号输入的响应特性：通常取最大超调量o r 、 过渡过程时间t 。、振荡次数p 等特征量作定量评价。 系统的频率响应特性，通常用波德图表示，有时取最大振荡次数m ，、系统的 带宽m 等特征量作为衡量指标。 当系统稳态运行时，即伺服系统匀速跟踪状态下，系统输出轴承受负载力矩作 阶跃变化或者脉冲扰动变化时，系统的动态响应特性也是考核内容，通常取系 统的动态过程中的最大误差q 、过渡过程时间t 。等特征量来衡量。 根据系统参数的变化范围，系统工作环境条件的变化范围，对系统性能的鲁棒 性提出要求。 在设计伺服系统时，一定要注意综合考虑。因为对伺服系统性能的要求是多 方面的，每一步设计要将相关的问题都考虑到，防止顾此失彼；总之，在设计伺 服系统的时候要善于综合平衡。 2 2 2 3 交流伺服控制系统的主要控制策略 随着微电子技术、计算机技术、电力电子技术、电机制造技术以及新型材料 的飞速发展，随着交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，交流伺服系 统特别是永磁交流伺服系统在机电一体化、机器人控制、柔性制造系统、汽车电 子、办公自动化等高科技领域中占据了日益重要的地位，所以对永磁同步伺服控 制系统的研究也越来越重要 6 1o 目前，交流伺服控制领域已经出现了各种各样的 控制策略；其中比较有代表性的恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、自适 应控制、智能控制等一直是近几年的研究热点1 3 6 1 。 i 恒压频比控制 东华大学基于c a n 总线的智能双轴交流伺服控制系统 任何电机调速控制的关键都是对其转矩的有效控制；因为转速是通过转矩而 改变的，因此在伺服控制技术中转矩控制始终都是关键技术。恒压频比( u f ；) 控制只控制了电机的气隙磁通，并不能调节其转矩，所以其控制性能并不高。此 外恒压频比控制依据的是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，所以得 不到理想的动态控制性能。 2 矢量控制 1 9 7 1 年德国西门子公司的eb l a s c h k e 提出了矢量控制理论，第一次使交流电 机控制理论获得了质的飞跃，它从理论上证明了异步电动机传动系统的动态特性 可以彳导到极大的改善， 解决了以往只依赖电机稳态模型带来的问题。矢量控制采 用矢量变换的方法，把交流电机的磁通与转矩的控制解耦，使交流电机的控制类 似于直流电动机，从而大大地提高系统的控制性能。现在，矢量控制已经成为交 流传动控制的一种基本方法。 3 直接转矩控制 由于矢量控制需要电机的精确模型，对参数具有依赖性，所以参数的变化会 导致性能变差；针对这一问题，1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出了直 接转矩控制的理论；其主要特点是利用空间矢量的分析方法，直接在定子