（机械设计及理论专业论文）多电机同步控制系统的研究.pdf

摘要 论文题目 多电机同步控制系统的研究 学科专业 机械设计及理论 研究生 万亚斌 导师 李鹏飞副教授 摘要 i l i i i i j i i f i j i i i i i i f j l i i l i i i i i i i f 帅 y 2117 5 31 签名 五亚斌 签名 孪璺垦堡垒 多台电机同步控制技术在高速高精度机械传动系统中已得到广泛应用 如何保证多电 机传动精度的精确同步性是同步控制系统的核心问题 本文从多电机同步控锖u 系统硬件实 现 多电机同步控制策略 模糊自适应p i d 控制算法 控制系统软件开发及实验方面进行 了研究 主要工作和结论如下 根据传动系统的特点 构建了多电机同步控制系统的硬件系统平台 对基于p m a c 多 轴运动控制器控制三个直流伺服电机的闭环负反馈同步控制系统进行了分析 为实现三个 电机的同步控制做好了硬件基础 建立了直流伺服电机的数学仿真模型 通过对p i d 算法及现代智能控带 j 算法研究分析 设计模糊自适应p i d 控制器和p i d 控制器仿真系统 在基于m a t l a b 软件的s i m u li n k 环境 下对直流电机进行了仿真 比较两种算法的优劣性 仿真结果显示智能控帛l j 算法性台邑优于 常规p i d 算法的控制性能 分析并联控制 交叉耦合控制等同步策略的电控方式 结合智能算法 构建基于模糊 自适应p i d 补偿器的相邻偏差耦合三电机同步控制模型 并进行仿真 研究了在负载未 知扰动下多电机的同步性及其实现方法 基于p m a c 控制的三坐标平台 完成了多电机同步控制实验研究 编铝i j 了人机界面 软件与多电机运动程序开发 实现了p c 机与p m a c 卡通信并控制电机运行 通过对控 制参数和p i d 参数设置调整并进行运动调试 分析了电机跟随误差和同步误差 实现了多 轴同步运行 关键词t 多电机 相邻偏差耦合 模糊自适应p i d 同步控制 p m a c 运动控伟i j 器 西安理工大学硕士学位论文 t j t l e r e s e a r c ho nt h e m u l t i m o t o r s y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e m m a j o r m e c h a n i c a id e s i g na n d t h e o w n a m e y a b i nw a n s u p e r i s o r a s s o c i a t ep r o f p e n g f b il i a b s t 陷c t s i g n a t u 陀 址k 出 s g n a t u 怕 卫秘 m u i t i m o t 0 瑙s c h r o n o u sc o n 仃0 lt e c h n o l o g yh 鹤b e e nw i d e l y 啦e di 1 1 h i 曲 s p e e da 1 1 d m g h i r e c l s l o nm e c h 砌c m 仃狮s m i s s i o n s y s t e m s t h ec o r e p r o b l e m i i l m u l t i m o t o r s s y n c h r o n o u sc o 仰旧is y s t e mi sh o wt 0 舢t e e l e p r e c i s es y n c m c i t y0 fm u l t i m o t o r s m 协 o 啪n g 嬲p e c t sl l a v cb e e nr e s e a r c h e di i l t h i sp a p e r t l l eh a r d w a r ei i n p l e m e n t a t i o no f m u i t l m o t o r s 驴c h r o n o u sc 0 n 的ls y s t e m t l l es 姗e g ro fm u l t i 帅0 t o r ss y n c n o u s c o n 昀i m e 嘞a d 印 i v ep i dc o n t r o la l g o r i t t l m t i l ed e v e l o p m e n t0 ft h ec o m r o ls y s t e m 锄d e x p e r i m e n t s t h em a j nw o r k 鲫dc o n c l u s i o n s a r e 懿f o l l o w s ih el l a r d w 玳 p i a t f o 舳 0 fm cm u l t i 咖o t o r s s y n c h r o n 0 啪c o n 的l s y s t e ml l a sb e e n c o n s 虮1 c t e db 鼬e d0 nt h ec h 牡a c t e r i s t i c s0 ft i i e t m 啮m i s s i o ns y s t e m a n 羽y z i n gt l l et i l r e ed c m o t o r sc i o s e d 1 0 0 pf e e d b a c ks y n c h r o n o 岫c o n 仃0 ls y s t e m 讹c hu s en l e p m a cm u l t i a x i s m o t l o nc o n 们l l e ri s p r e p a r e df o rm ek 咄岫f o u n 眈i o n0 f 廿l e 她em o t o r ss y n c h f o n o u s c o n t r o ls y s t e m e s 鼬1 1 s h e dt h ed cs e r v om o t o rm a m e m a t i c a ls i i i l u l a t i o nm o d e l t h e 舭刃a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r 柚dp i dc o n t r o l l e rs i m u l a t i o ns y s t e ma 陀d e s i g i lb a s e d o nt l l e 鲫砒y s i s0 ft l l ep i d a i g o n t t l m 觚dm o d e mi n t e l l i g e n tc o n t r o l 羽g o l i i t h n l t h ed cm o t o rh 勰b e e n s i m u l a t e db 鹊e do n m es 1 m u l l n ke n v i r 0 姗e n to f 脚l a bs o 脚矾t 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e st l l a t t l l e i n t e l 1 1 9 e n tc o n n o la l g o r i t h m p e 渤砷觚c ei sb e t t e rt h 觚c o n v e n t i o n a lp i d c o n 仃o la j g o r i t h m s b yc o m b 蛐n gm e 锄a l y s i s0 f 此e l e c t r i cc o n 昀lm e t h o d s s u c h 嬲删l e ic o n 的l 锄d c r 0 鼹c o u p l i n gc o n 昀l 埘t l lm ei n t e l l i g e n t 引g o r i t h m t l l ea 由a c e n t d e v i a t i o n c o u p l i n gt h r e e m o t o 硌驴c h r o n 0 憾c o n 仃d lm o d e lt 1 1 a t 啦e s 如t e l l i g e n t 舵巧p i d c o m p e n s a t o rh a sb e e n c o n s 咖c 砌锄ds i m u l a t e d 1 1 h es c h r o n i c i t r 饥da p p i i c a t i o nm e t h o d0 f m u l t i m o t 0 瑙c o n 仃0 l u n d e rm eu n l l o 姗l o a dd i s t i 曲舶c eh a s b e e n 他s e a r c h e d 廿勰i n go nt i i et i i r e ec 0 0 r d i n a t e sp i a t f o mw h j c hu n d e rt l l ep m a c c o n 缸d l 恤m u l t i m o t o r s y l l c h r o n o u sc o n 昀l 他s e a r c hh 鼬b e e nf i n i s h e d t km 觚 m a c h i 鹏i n t e 慨e 跚d m u j t i m o t o 璐 i i l 西安理工大学硕士学位论文 c o r l 仃o lp r o c e d u r e sw e r ep m g 鞠m m e d t h ec o m m u m c a t i o no fp ca 1 1 dp m a ch a sb e 朗r e a l i z e d b ya 两u s t i n gt h ec o n 缸d l sa n dp i dp a m m e t e r s 卸dd e b u g g i n gt h es y s t e m m em o t o rf o l l o we r r o r 觚ds y n c h 的n o u se r r o ra r ea n a l y z e da n d 血em u l t i a x i ss y n c h r o n i z a t i o nm o t i o ni sr e a l i z e d k e yw o r d s m u l t i m o t o r a d j a c e n td e v i a t i o nc 0 u p l i n g f u z 巧a d 印t i v ep i d s r i l c h r o n o u s c o n 仃o l p m a cc o n t r o l l e r 1 绪论 l 绪论 1 1 论文背景及意义 随着现代工业的高速发展 一台电机控制已不能满足实际生产要求 如在大功率拖动 系统中 当一台电机功率驱动能力不足时 需要两台或多台伺服电机进行同步拖动 多台 电机同步控制技术在高速高精度机械传动系统中已得到广泛应用 协调控制的精度及同步 性问题普遍存在于控制系统中 多电机同步控制关注于如何解决多轴运动之间的协调问题 以达到系统整体性能最优 化 在传动控制系统中 一般多电机保持同步运行主要有以下几个方面 同步控制运行 中多个电机之间的速度保持一定的比例或者相同 这是最简单的同步系统 它已经被广泛 应用在冶金工业中的多轴辊道 大型同步轧机 大型闸门 纺织工厂的纱锭 煤球机 双 滚筒驱动的带式输送机 造纸机 桥式或者龙门起重机等 另外在现代大型船舶实验及大 型飞机控制系统中 单台电机驱动能力已严重不足 多台大功率电机协调同步驱动已被广 泛应用 同步控制系统中多电机之间输出相同相位或者输出转轴转角保持恒定的误 差 如数控加工设备 机器人控制等 在这些精密制造设备中 多电机的同步控制运行直 接影响控制系统的可靠性 安全性及控制精度 1 所以如何保证多电机的同步控制是运 动控制研究领域的重要课题之一 具有非常重要的现实意义和应用价值 1 2 研究现状及发展 图卜l 同步控制与相关学科关系框图 f i g 1 1t l i er e l a t i o n s h i po fs y n c h r o n o 峭c o n 缸1 0 i 锄d 他i a t e dd i s c i p i i n e s 多电机同步控制是一个跨学科的综合性技术 包含了伺服技术 电力电子技术 电气 传动技术 自动控制技术 机械技术等多学科的有机结合 图卜1 所示为多电机控制与各 学科关系 表明多电机同步技术基于多学科的技术发展 伺服技术是单电机闭环控制的基 础 它影响着多电机同步控制精度 1 2 1 伺服技术的发展 西安理工大学硕士学位论文 伺服控制是现代传动控制的高端 成为现代控制理论的重要部分 现代伺服技术的发 展与电力电子器件技术 脉宽调控技术 制造工艺 d s p 处理器技术 电机技术等工业技 术的发展息息相关 随着现代化进程的高速发展 伺服系统已经进入了数字化时代 新型 功率器件 伺服专用模块 高性能d s p 层出不穷 其数字化伺服系统的应用也越来越广 泛 用户对伺服驱动技术的要求也越来越高 结合国内外伺服技术 产品路线以及市场变 化需求 伺服技术主要发展趋势概括为以下几个方面 交流化 3 1 交流电机代替直流电机已经成为大的趋势 目前 国内外市场上新研发产品几乎都是 交流电机系统 由于直流电机技术自身发展的限制 交流电机高精度控制技术的快速发展 伺服技术也从直流伺服系统转向交流伺服系统发展 国内伺服技术发展相对较慢 但生产 a c 伺服电机的厂家也越来越多 所以 不久的将来 除了某些特定领域对直流电机的需 求之外 交流伺服电机将实现普遍化 b 全数字化 1 数字化技术的发展引发了一种信息工业革命 数字化已成为现代信息社会的基础 传 统的模拟控制制约了现代控制理论的控制算法的实现 随着采用高性能d s p 和高速微处 理器的伺服控制单元的实现应用 伺服系统的数字化时代已经到来 现代先进智能控制算 法进行软件实现成为可能 代替硬件实现的高昂代价及限制 从而将用软件伺服控制来代 替硬件伺服控制 促进伺服控制技术全面数字化 c 集成一体化 伺服控制系统包括了电机 反馈装置 控制驱动等 模块越多实现起来越不方便 将 各个部分进行一体化集成也成为一种伺服发展方向 当然将电机 驱动 控制集成一体也 将会带来很多挑战 随着伺服数字化的进程 高度集成也将成为一种可能 集成一种通过 软件进行参数设置 就可改变其控制性能的一体化产品 d 智能化 随着通信技术 计算机技术 智能控制技术等高科技技术的高速发展 智能化概念已 经成为我们当前工业社会的主流 伺服智能化也成为一种发展趋势 伺服数字化的进程使 现代大多驱动器产品都具备了智能化功能 自动检测故障分析 算法参数自整定 进行智 能化一键调试等 通用模块化和网络化 早期很多电机产品只支持本公司驱动器 很多控制器也只支持本公司电机 这样使用 户的选择受到很多限制 随着工业技术市场化的发展 通用型伺服控制单元配有大量的参 数设置菜单功能 可以方便用户在不改变硬件配置的前提下进行软件参数设置达到各种应 用场合 使用不同的电机 完成工业设计要求 通用模块化也使整套伺服控制系统像装电 脑那样方便 快捷 随着工业网络化的要求 伺服控制系统网络化也是变得很重要 将现 场总线 工业以太网或者专业局域网及无线网络技术集成于伺服控制系统中 只需要几根 2 1 绪论 光缆或者网线便可以实现分布式工业控制 进行网络数据传输远程控制 综上所述 伺服系统的发展趋势 一是实现满足一般工业控制要求 追求低成本 简 单通用 少维护等特点 另一个便是高精度 数字化 高性能 智能化 高速度 网络模 块化的高端控制 以满足特定用户高要求 1 2 2 多电机同步控制策略的研究现状 多电机同步控制系统是跨学科综合性的研究课题 保持多电机协调运行通常有两种方 式 一种是传统的机械方式 通过一台大功率电机驱动系统总轴 所有驱动单元通过齿轮 啮合在总轴上 则输出为同一个相位信号 由于其结构简单 机械连接可靠 早前应用较 为广泛 但机械同步控制方式有很多缺点 首先由于靠齿轮传动则同步控制精度低 不能 满足现代控制精度要求 其次机械控制主轴容易出现振荡现象 由于主轴在传动过程存在 机械摩擦 齿轮磨损会产生机械谐振 当高速运行时谐振会影响系统稳定 极易产生共振 且噪音大 机械谐振是不可避免的 则系统动态性能不稳定 同步控制同步性差 还有机 械传动中 主轴传输的转矩和传输距离成反比 要增加转矩则主轴的截面积随之增大 如 果进行远距离传输 则对工艺要求较高 从而增加控制系统成本 总上 机械传动同步控 制适合控制精度低 成本不高的场合 另一种是电控方式 即通过控制多台电机的转角 相位 转速等参数 实现多电机之间的协调运行 与机械传动相反 电控方式的多电机协 调控制更加灵活 目前 多电机同步控制主要在研究在电控方式 如何提高控制精度 满 足动态控制要求 一般来说电控方式控制系统主要是由控制器 驱动器 电机以及检查装 置组成 如图1 2 所示 图l 一2 控制系统组成框图 f i g 1 2t h ed i a g 阳m0 fc o n t r 0 is y s t e m 多轴同步控制技术主要分为非耦合和耦合两种控制策略 1 2 0 世纪8 0 年代初 l u l l 和z h e n g 提出了主从控制方式 1 从电机跟随主电机运行 但从电机不能反馈到主电机 主从控制策略属于非耦合控制 其同步控制精度相对不高 但在实际控制系统应用也较为 广泛n 1 交叉耦合控制主要应用在现代高精度同步控制系统中 以k o 啪为代表首先提出 交叉耦合控制 随后很多学者都对交叉耦合控制进行研究改进 其中有k u l k a 玎l i s r i i l i v 觞锄 等人为代表 研究并发表了l o 余篇关于交叉耦合控制的论文n 1 近年来 随着交叉耦合 控制理论的成熟 交叉耦合控制技术已应用在机器人控制系统中 取得了高精度运动控制 睁 1 但也对随机干扰问题并不能很好的解决 有学者通过把自适应前馈控制策略应用到 交叉耦合控制中进行研究仿真 解决系统外界随机干扰问题 提高动态抗干扰性n 幻 有 3 西安理工大学硕士学位论文 文献中介绍了多台大功率拖动系统中 通过耦合速度补偿器实现多台大功率电机同步控 制 从实验上实现耦合同步控制 有以多变量非线性强耦合的多电机同步控制系统为研 究对象 实现单神经元自适应p s d 控制n 有针对多电机同步控制系统在动载荷情况 设计自学习和自适应能力的单神经元p i d 同步控制算法 实现了良好的同步控制n u 也 有对三电机同步控制实现用神经网络自整定p i d 参数的控制方法实现同步控制 1 钉等等 但在这些控制算法的应用都有一定的其局限性n 钉 大多以线性控制对象或者复杂程度不 够 于是越来越多的人关注智能控制算法 采用智能变结构控制 模糊自适应控制 变增 益交叉耦合控制等先进控制算法相结合的方法 来实现这种具有非线性轨迹曲线的跟踪控 制n 所以智能控制越来越多的应用在多电机控制系统中 以解决多变控制系统协调控 制复杂问题 1 2 3 多电机控制算法的研究现状 同步控制算法是控制系统的核心 直接影响着控制系统的精度性能 控制理论学科的 研究经历了经典控制理论到现代控制理论 再到目前的智能控制理论的发展过程 经过近 百年的发展 控制算法也从传统的p i d 算法 到今年来智能控制算法 如 滑模变结构 控制 h 一控制 模糊逻辑 神经网络 专家系统 遗传算法等等 并且随着自动控制理 论 计算机技术 电力拖动技术 微电子技术等的发展 很多先进控制算法已得到了良好 的应用 智能控制是人工智能和自动控制的结合物 是一类无需人的干预就能够独立地驱动智 能机器 实现其目标的自动控制 智能控制的注意力并不放在对数学公式的表达 计算和 处理上 而放在对任务和模型的描述 符号和环境的识别以及知识库和推理机的设计开发 上 随着数字化伺服控制系统技术的发展 在伺服驱动器实现智能控制算法软件编程已成 为现实 但在国内还在初级阶段 智能控制算法不仅需要强大的处理器运算速度高 而且 还是占用大量的存储空间 对控制器硬件要求相对较高 一般的控制器例如p l c 的主频 相对较低 存储器容量限制 所以其智能算法在p l c 的应用较少 在国外 智能控制器 已发展相对较为成熟 其控制器控制功能强大 如美国d e i t at a ud a t as y s t e m 公司生产的 p m a c 控制器 是世界上多轴控制器最强大之一 可以进行智能控制算法软件编程 随 着经济全球化 中国经济的高速发展 智能控制的研发和生产的重心已慢慢转向中国国内 目前 进行研究的智能控制算法有 专家控制 滑模变结构 神经网络 遗传算法 模糊控制算法 自适应算法等等 大多都通过运用人工智能 控制理论 计算机学科等相 关理论技术结合进行研究 滑模变结构控制是一种特殊的鲁棒控制方法 由u t 妇 e m e l e y a v i t i 曲等前苏联 学者提出 其本质是解决非线性系统的控制问题 1 纠钉 滑模变结构控制的优点是 对系统 未知干扰的不确定性有很强的鲁棒作用 非常适合非线性系统控制 变结构算法简单 响 应速度快 但有学者提出了滑模变结构控制严重的缺点 即抖振伽1 影响了系统的控制 4 1 绪论 动态性能 近年来 随着滑模变结构控制的应用 也有很多学者对其抖振进行了抑制研究 并取得很好的效果 h 控制理论由加拿大著名学者z 锄e s 提出的 后续经过数名学者数年的的研究发展 而成n 它是以基于使用状态空间模型的频率设计方法为主要特征 对控制系统中外界 未知干扰的不确定性进行研究 从根本上予以解决 经过几十年的发展 h 控制已经被 应用解决很多问题 有学者引用h 控制理论解决大气污染问题 幻 并取得良好成果 也有学者结合现代智能控制算法 把自适应控制引用到h 控制进行研究 2 盯 取得小有 成绩 随着研究学者的越来越多 h 控制理论也会越来月成熟 并更加的使用满足现代 实际需要 1 模糊控制算法是2 0 世纪6 0 年代中期 美国l a z a d e h 教授基于模糊集合论 模糊 逻辑推理和模糊控制语言等理论 结合专家经验建立的智能控制算法 经过多年的发展 模糊理论已经相当成熟 在国外 根据模糊控制理论研发的模糊控制器专业芯片也相继应 用在现代工业控制领域中 并取得了良好的控制效果 随着信号处理器d s p 高速微处 理器技术的发展及模糊控制理论的完善改进 其应用将会更加广泛晒1 基于模糊p i d 控制的多电机同步控制算法已经广泛应用在实际控制系统中 p i d 算 法易实现 易操作性和智能模糊理论的相结合 对实际传动过程中的非线性 时变性以及 随机干扰等不确定因素得到了良好控制效果 本文采用了模糊自适应控制算法和p i d 相 结合的同步控制算法 1 3 论文的主要研究内容 多电机同步控制就要解决协调控制 高精度问题以及在未知扰动情况下如何保持同 步性等问题 通过对多电机同步控制策略及算法进行研究 构建基于模糊自适应p i d 算法 的相邻偏差耦合多电机同步控制模型 仿真分析多电机在随机未知干扰下的同步控制性 在基于p m a c 运动控制器构建的三轴运动控制实验平台 根据控制器本身性能及控制方法实 现三电机同步运行 本文的主要研究内容包括以几个方面 第一章介绍了国内外多电机同步控制相关技术的研究现状及发展趋势 确立了本文 的研究内容及意义 第二章介绍了多电机同步控制系统的组成部分 分析了基于p m a c 多轴控制器控制 三个直流伺服电机构建的闭环负反馈同步控制系统 为实现同步控制搭好硬件平台 第三章分析研究了p i d 算法及智能控制算法 对直流电机进行数学建模 构建了 基于m a t l a b 软件的p i d 算法模型和模糊自适应p i d 模型 通过仿真显示模糊智能算法 较为优越 第四章主要讨论了多电机同步控制策略 建立了模糊自适应p i d 补偿器的相邻偏 差耦合多电机同步控制模型 通过仿真分析研究多电机在未知干扰下的同步问题 并进行 5 西安理工大学硕士学位论文 了基于p m a c 控制器的多电机同步软件实现 第五章利用v c 软件的m f c 基础类库 对基于p m a c 控制器的多电机同步控制 进行上位机软件编程 实现多电机同步控制软件开发 并进行了同步控制实验 第六章对本论文研究内容进行了总结 并对未来研究展望 6 2 多电机同步控制系统硬件组成 2 多电机同步控制系统硬件组成 多电机同步是通过对电机的精确控制 达到多电机速度同步或者相位的精确定位 精 确要求越高其实现难度越大 成本越高 本文采用的是 p c p m a c 运动控制器 结构组成 的多电机同步控制系统 利用p m a c 在工业控制中的可靠 成熟 稳定的轨迹插补能力以 及可以实现多电机高精确同步控制特点 作为硬件系统平台的核心控制器 降低了开发难 度 2 1 系统硬件组成 多电机同步系统硬件组成一般包括 上位机 通讯模块 控制器 电机 驱动器以及 其它检测反馈模块 其结构控制如图2 1 所示 图2 1 多电机控制系统结构示意图 f i g 2 ls t 九j c t u r es c h e m a t i cd m w i n go fm 锄ym o t o r c o n t r o ls y s t e m 2 1 1 上位机及总线通信 控制系统的上位机一般使用的是工业控制计算机 这种计算机专门为工业现场而设 计 它具有在恶劣环境下 无人值守时高稳定性运行的特点 本控制系统使用研祥i p c 8 1 0 工控机 其具有可靠性 实时扩充性 软硬件兼容性 系统检测和自复位功能 上位机和控制器之间 驱动器与控制器之间 以及驱动器与驱动器之间都需要通信进 行快速的实时数据交换 下位机一般完成数据采集及对装置的控制 上位机实现数据处理 7 西安理工大学硕士学位论文 及对控制器的控制 所以通信是控制系统不可缺少的功能 常见的总线通讯方式有r s 2 3 2 r s 4 8 5 c j 气n p i 之o f i b u s 等 i s a i n d u s 仃ys t 锄d a r da r c m t e c t u r c 工业标准体系结构总线 一般电脑都有i s a 插槽 它是8 1 6 b i t 的系统总线 最大传输速率仅为8 m b s 但允许多个c p u 共享系统资源 由于兼容性好 是上个世纪8 0 年代应用最广泛的系统总线 一般有i s a 接口的控制器使 用l s a 总线 如本控制系统使用的p m a c 运动控制器是插卡式的 通过i s a 总线与工控 机进行通信 2 1 2 运动控制器 运动控制器是控制系统的c p u 负责和上位机的通信 数据交换及电机的运行方式 目前 运动控制器可以总结为以下四类 第1 类以微处理器作为核心c p u 的控制器 这类控制器主要是以单片机芯片作为处 理器 外围通过构建扩展芯片和搭建电路组成 由于单片机处理速度性能低下 其构建的 控制系统精度不高 但相对成本较为低 适合低速运行 控制精度要求不高控制简单的场 合应用 第2 类专业运动控制p l c p l c 控制器由于其可靠性高 抗干扰能力强 使用性 强 已经被广泛应用在工业控制中 目前一些p l c 厂商也把p l c 应用于精确控制系统中 例如施耐德m 2 3 8 p l c 模块化控制l x m 3 2 a 伺服交流驱动器和交流伺服电机组成的闭环 控制系统 而且其驱动器控制c a n 协议控制电机 比脉冲控制电机更为安全可靠 第3 类以a s i c 专用芯片作为核心c p u 的运动控制器 这类控制器结构简单 但 控制精度低 大多只能输出脉冲信号 而且容易丢失脉冲 不能提供连续插补功能 也没 有前馈功能 所以应用前景黯淡 第4 类基于计算机标准总线的开放式运动控制器 它以d s p 或f p g a 作为核心处 理器 由于d s p 处理器速度高 运算快 其处理能力强 开放程度高 运动轨迹控制精 确 通用好等特点 但成本也相对较高 随着p c 机的发展和普及 采用 p c 运动控制 器 的模式将是运动控制系统的发展趋势 2 1 3 伺服驱动器及电机 伺服驱动器用来给伺服电机发送驱动命令 其作用类似于作用于普通交流电机的变频 器 主要应用在高精度定位系统中 是传动系统的高端 伺服驱动嚣控制原理 伺服驱动器主要包括整流单元 逆变单元 控制单元及电流运算单元 其工作原理如 图2 2 所示 现代伺服驱动器大多采用数字信号处理器或者高速微处理器作为中央c p u 电源模块首先把市电通过三相全桥整流电路单元整流成直流电 再经过逆变单元驱动交流 伺服电机 逆变单元主要是电压型逆变电路实现输出可控电压源 对于直流伺服电机可以 8 2 多电机同步控制系统硬件组成 通过由d c d c 转换器及调幅 a m 电路组成 所以功率驱动的工作过程可以简单说是 a c d c a c 变换过程 整流主要是三相全桥可控整流电路 控制模块主要是进行脉冲发送 i 0 输出 串口通信 编码器输出的数据处理 图2 2 伺服驱动器工作原理图 f i g 2 2w o r kp r i n c i p l e0 fs e i v 0d r i v e 伺服驱动器一般可以采用位置 速度和力矩三种控制方式 其中速度和转矩控制都是 用模拟量来控制 位置控制是通过发脉冲来实现 其控制原理如图2 3 所示 图2 3 伺服控制原理图 f i g 2 3s e r v oc o n 臼d lp r i n c i p l ed i a g 啊m l 力矩控制是通过外部模拟量的输入设定电机主轴对外的输出转矩大小 要改变力 矩大小可以即时改变模拟量的设定 参数内部设定或者通过总线方式改变对应地址数值来 实现 力矩控制对应于伺服控制的电流环 通过检测驱动器给电机的输出电流 反馈给电 流设定进行p i d 调节 电流环就是控制电机转矩 电流环是三个控制环的基础 每个环 节都需要电流环的支持调节 9 西安理工大学硕士学位论文 2 速度控制是根据模拟速度指令的电压值与转速之间的关系进行转速控制的 可以 通过模拟量的输入或者脉冲频率来实现 对应于伺服控制的速度环 其中 速度环是伺服 控制的内环 包含了电流环 通过检测编码器的反馈进行p i d 调节 3 位置控制一般是通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小 实际应用中主 要是通过接受脉冲信号的伺服或者步进放大器实现位置控制 其位置给定主要是通过脉冲 输入和总线两种方式 位置环是在驱动器和电机编码器间构建最终负载调节 其运算量最 大 动态响应慢 b 电机 电机是控制系统执行机构的动力源 作用将控制信号转化为负载位移 来完成具体的 运动 最常用的伺服电机类型有 直流 d c 伺服电机 交流 a c 伺服电机和步进电 机 交流伺服技术高速发展 取代直流电机已是大势所趋 但直流电机在低速 高精度的 特性是其他电机无法所替代的 许多高精度控制应用场合上还需要直流伺服电机技术的支 持 直流伺服电机的发展已经完全实现了数字化并且在实际控制系统中应用成熟 本系统 使用了美国c o p l e y 公司生产的4 1 2 c e 直流伺服驱动器和c m c 公司生产的p l a t e f o r r n 2 6 0 0 系列直流伺服电机 作为p m a c 运动控制器的命令执行单元 2 1 4 检测反馈装置 在闭环控制系统中 将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较来减小 系统运动误差 达到高精控制 其中检测反馈元件包括了传感器 编码器 测速机等 测速电机 测速电机实现电机转速测定 也被称为速度传感器 现代伺服电机一般都集成了测速 电机 通过被测机构与测速机同轴连接 根据检测输出电动势来获得测量电机的转动速度 其输出电压正比于转速 b 光栅尺 光栅尺全称为光栅位移传感器 是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置 位移闭 环控制中 可以通过编码器 感应同步器 光栅等位移检测元件将位移量和位移方向通过 电信号输出的方式进行负反馈 本文采用了直线光栅尺作为位移反馈装置 由于其动态性 能 运行速度可靠性高等特点 深受高精度控制系统青睐 2 2 同步控制系统的硬件实现 本同步控制系统采用了p m a c 作为主控制器 使用了三个伺服直流电机和配套驱动器 其组成的同步控制系统如图2 4 所示 其中 伺服驱动器和伺服直流电机通过测速机构成 速度半闭环反馈控制 光栅通过对执行机构末端运动位移检测反馈形成位置闭环控制系 统 l o 2 多电机同步控制系统硬件组成 图2 4p m a c 的三电机同步控制系统结构图 f i g 2 4s 廿u c t u 陀0 ft i l i em o t o rs y n c h r o n o 吣c o n h 0 ls y s t e m sa b o u tp m a c 2 2 1p m a c 控制器 e p a n s i o n 模拟量il 多路复用端口li lim c r o 光缆口i串行端口li显示螭口il手轮接口ll 比较输出口 t 一 甜1 6 1 2 b r r a d c i d o 缓存 il 缓存 d s p g a t e2 i o a s i c l o 缓存 埋存 ii d 砌v e r s s e r i a l c o m m u n i c a 丁i o n s n n t r f a c e s r m 1 2 b k 2 4 a c t l v e m e m o r y n a s h 5 1 2 k g 兀r m w r e u s e rb a c k u p c p u 2 4 b i t 4 6 0 8 0m h z d s p 5 6 0 0 2 d p r a m 8 k 1 6 i n t e r f a c e o 鲥呻2 w t c h d o g 1 1 m e r b u s c o m m u n l c a o n s i n t e r f a c e d s pg a t e i 4 c h c i s e r v o a s i c l n p u l y o u t p u t b u f f e i t s a c h l n e p o r t 4 a c i n n e p o r t 3 w a t c h d o g t i m e r d s pg a t e i i n p ir r o u t p l r r 8 u 兀毛l 岱 m c h i n e p o r t 2 a c h i n e p o r t l b u sp o r r 图2 5p m a c 控制器结构原理图 f i g 2 5s t r u c t u m lc h a no fp m a c c o n 仃0 i l e r l em u l t i a x i sc 0 n 们l l e r 是美国d e l t at a u 公司开发的一款高性 l l 西安理工大学硕士学位论文 能多轴同步运动控制器 是世界上最强大的控制器之一 p m a c 控制器的硬件结构原理 如图2 5 所示 p m a c 控制器使用了d s p g a t e 门阵列i c 每个门阵列可以同时连接4 路电机 每 个p m a c 控制器支持4 个d s p g a t e 门阵列 所以p m a c 控制器如果不给电机换向的话 可以同时控制1 6 路电机 p m a c 控制器采用m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 0 0 作为c p u 就是一台 完整的计算机 具有独立的内存 可以通过存储在它内部的程序进行单独操作 它还是一 台实时的 多任务的计算机 同时执行多个任务并能够进行优先级排序的能力 在处理时 间和任务切换的复杂性这两个方面大大减轻主机和编程器负担 p m a c 运动控制器最重 要的任务是按照运动程序顺序地执行运动程序 而且提供了用户编写 p l c 程序 的能力 并进行所有运动命令的计算 可以满足运动控制 离散控制 同主机交互等数控系统的基 本功能 与其他运动控制器相比 p m a c 的最大特点是开放性 因此具有较好的适用性 和灵活性 p m a c 控制器主要有p m a c l 第一代 p m a c 2 第二代 和t u r b o p m a c 等系列 本文使用的是p m a c 2 中的p c 1 0 4 多轴运动控制卡 该卡可以同时控制四个电机同步运 动 主频高达4 0 m h z 有5 1 2 k 的闪存和1 2 8 k 的静态存储器 同时提供了伺服控制 p l c 数据采集等主要功能 可以满足伺服运动控制 离散控制 同主机交互运行等数控系统的 基本应用 2 2 2 硬件连接 同步控制系统中 硬件连接的实现 首先将p m a c 2 a p c 1 0 4 插入研祥工控机i s a 总线插槽内 本卡需要1 2 个插槽 会出现i s a 驱动安装向导 同时要选择通讯方式 p m a c 控制器主要有p c i u s b 以太网 i s a 及串口通讯方式 本系统采用了i s a 总线与p c 通讯 如图2 2 所示 图2 石p m a c 驱动通信向导 f i g 2 6p m a c d r i v ec o r i u i l u n i c a t i o nw i z a j d 使用i s a 总线插槽可以给p m a c 控制器提供 5 v 电源 再不需要额外电源 然后利 用p m a c 控制器自带a c c 一8 p 转接板与伺服驱动器 光栅尺 限位开关等外部设备相连 接 p m a c 控制器与a c c 8 p 转接板实物如图2 7 所示 1 2 2 多电机同步控制系统硬件组成 图2 7p m a c 控制器与扩展板外观图 f i g 2 7t h er e a lf i g u r eo f p m a cc o n t r o l l e ra n de p a n d e dp l a t e p m a c 卡与单个伺服驱动器 直线光栅尺 限位开关的具体连接如图2 8 所示 a c c 8 p 驱动器 d a c n r e f m o t o r d a c n r e f t a c h 电机 p m a c t a c h g n d m o t o r 玄 1卜 主 东 l i m o z l i m n jj c h n i 光栅尺i c o m 2 4 v c o m 直流电源 图2 8 单轴伺服接线图 f i g 2 8c o n n e c t i o nd i a g r a mo fs i n 舀es e r v oa x i s a c c 8 是p m a c 运动控制器自带的转接板 有6 0 个接口实现与外部设备连接 保护 控制器免受磨损 在本运动控制系统中 用2 4 v 直流电源给转接板提供电源 c o p l e y 直 流驱动器采用速度模式实现驱动电机 测速电机通过驱动器1 a c h 端子实现速度反馈 控制器通过电压模拟输出通道控制驱动器 位移反馈使用直线光栅尺 由于位移反馈信号 一般都需要较长距离传输 所以为增强反馈信号的干扰能力 采用屏蔽线作为传输线 限 位开关是保护运动控制安全性 p m a c 控制器有软限位和硬限位保护 硬件限位通过安 装限位开关安装在控制轴的两末端 当限位信号被触发 则反馈控制器中发送停止命令 软限位通过设置软件地址i x l 3 和i x l 4 的参数对硬限位的补充 从而实现对控制系统进行 双重保护 限位开关的极性具有方向性 安装时注意应把 l i m 对应正向移动 l i m 对 应负向移动 西安理工大学硕士学位论文 2 2 3 电气控制设计 本系统电机设计电路主要实现控制系统启动 系统回路保护 电机紧急制动以及设备 电源供电等 控制回路元器件主要包括了交流接触器实现电路自锁 常开启动按钮和常闭 关闭按钮以及开关带指示灯 当在紧急情况下按下红紧急制动按钮断开系统电源供电从而 实现保护设备人身安全 其电气控制电路如图2 9 所示 图2 9 电气控制电路图 f i g 2 9e l e c t r i c a lc o n t r o id i a g 陷m 2 2 4 三轴运动控制实验装置 图2 1 0 三轴运动控制实验装置 f i g 2 10t h r e e a i sc o n n o lp i 晌咖 本文实验平台如图2 1 0 所示的三轴运动控制实验装置 该装置主要由控制台 工作 台 中央滑架 龙门架 传动机构及导轨组成 是一个位置多轴控制系统 工作台主要是 1 4 2 多电机同步控制系统硬件组成 实现支撑和作业功能 控制台进行运动控制 工作台的x y z 三轴均采用静压气浮导 轨 分别使用了无牙螺杆传动 滚珠丝杠传动和同步带传动 在运动过程中 通过x 轴 电机驱动无牙螺杆传动带动龙门架沿导轨进行x 方向直线运动 y 轴在电机2 的驱动下 通过滚珠丝杆传动进行直线运行 z 轴在电机3 驱动下通过同步带传动进行z 方向直线运 行 2 3 本章小结 本章主要进行多电机硬件平台分析研究 通过对p m a c 运动控制器 直流电机及其 检测装置的熟悉 详细介绍了构建的多电机同步控制平台硬件组成以及各主要部件的连接 方式 实现其同步控制三个伺服直流电机的闭环负反馈控制系统 西安理工大学硕士学位论文 3 模糊自适应p i d 控制算法研究与仿真 p i d 控制由于它简单 鲁棒性好以及高可靠稳定性 被广泛应用在工业控制中 尤其 是在线性系统中 然而现实生产系统都为非线性系统 为解决非线性性 随着科技发展 人类越来越多应用了智能控制系统 如 专家p i d 控制 自适应控制 模糊控制等算法 目前 随着智能控制理论的发展 智能控制器的使用也越来越多 3 1p i d 控制算法 p i d p r o p o r t i o n 甜i i l t e g r a ld i f l e r e n t i a l 控制的实质是在闭环控制系统中根据反馈计算 的输入偏差按比例 积分 微分的函数关系进行运算调节 使输出达到控制状态 p i d 控 制由于它的结构简单 参数易于调整 成熟稳定等特性 目前 工业上9 0 左右的控制 回路都采用了p i d 控制算法 3 1 1p i d 控制原理 p i d 控制是一个闭环反馈控制 它包含比例p 微分d 积分i 控制 可以是独立控 制算法如比例p 控制 也可以根据实际控制系统进行组合应用如p i p d 控制等 但一般 积分和微分控制不能单独使用 图3 1p i d 控制系统原理图 f i g 3 lp r i n c i p i eo fp i dc o n 打o ls y s t e m p i d 控制系