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流伺服系统在制造业控制中得到了更加广泛的应用，对控制的要求体现在响应速度快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好。随着计算机技术、电子技术、电机磁性材料的不断发展，交流伺服控制逐渐成为工厂自动化领域中运动控制的主流1，有关各种新型控制算法不断涌现，如自适应控制、磁场定向控制及直接转矩控制、智能控制等。但是，传统的PID控制方法以其实现的方便可靠性仍是其它控制算法的基础。 一、系统组成原理 系统的整体结构如图1所示。 该系统由四部分组成，即微机、伺服控制卡、交流伺服调速系统、传感检测。主控微机与控制卡相连，可以通过数据线发送位置或速度命令，设定PID调节参数，并进行数模（D/A）转换，该模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机。电机轴端装有增量式光电码盘，通过光电码盘提供反馈信号（A、B、IN脉冲）来完成位置伺服系统的位置反馈，组成一个半闭环系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上，便于安装和避免机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影响。位置反馈环中传感元件增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给伺服放大器，最终调节电机运动，完成期望值的定位。二、伺服控制方法 工业控制中常用的方法是PID调节器，尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了各种新型控制算法，如自适应控制、专家系统、智能控制等2。从理论分析，许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性，但是由于算法本身的复杂性，而且对系统进行模型辨识比较麻烦，因此，在实际系统中实现时困难，对于传统的PID调节器而言，其最大的优点在于算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性3，而且适应性强，可靠性高，这些特点使PID控制器在工业控制领域得到广泛的应用。对于数控系统中的控制对象而言并不复杂，用PID调节器更易实现预期效果。1、位置环PID控制算法 在数字PID调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。为减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，采用积分分离PID控制正当其时，当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位值时，再恢复积分校正环节，以便消除系统的稳态误差。 积分分离PID控制算法需设定积分分离阀，当|e（k）|时，即偏差值较大时，采用PD控制，减少超调量，使系统有较快响应；当|e（k）|时，即偏差值比较小时，采用PID控制，以保证伺服电机位置控制精度。 离散化PID控制算式为： 其中，k为采样序号，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数。在实际中，若执行机构需要的是控制量的增量，根据递堆原理可得增量式PID控制算式为：2、位置环控制算法流程图2所示为控制算法流程图。3、控制系统参数的整定 主控微机向控制卡发送PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定Kp、Ki、Kd及采样周期T，比例系数Kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分系数Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；微分控制可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法，以及归一参数整定方法。这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯（Ziegler-Nichols规则）4，通常可认为交流伺服系统的模型为一阶带有延迟环节的模型（带滞后的一阶环节）： 式中的一阶响应特征参数K、L和T可以由图3所示的S型响应曲线提取出来。求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统进行阶跃输入激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。于是可由Ziegler-Nichols整定规则得到： 数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。一方面要满足香农定理，即s2max，实际系统输入及反馈的最大频率max难以测定，另一方面采样周期并没有一个精确的计算公式，只能根据工程应用按经验规则选取，对于机电控制系统，要求较短采样周期，通常为几十毫秒。三、结论 对于交流位置伺服控制系统而言，采用基于PC机的开发平台，用常规的PID调节器进行控制，只要参数整定适当，加之系统的机械精度（运动轴、齿轮、电机丝杠传动化）控制在一定误差范围内，电气控制精度（编码器脉冲）就可得到提高，鲁棒性强，可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。伺服系统的控制策略 在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式控制规律简单，至今仍在一般调速度系统中普遍应用。 恒压频比控制 恒压频比控制方式是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出Uout进行控制，使电机以一定的转速运转。但它是依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。 要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型。永磁同步电机的动态数学模型是非线性多变量，它含有角速度与电流id或iq的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。 矢量控制 1971年，由德国西门子的F.Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展方向向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链的旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。永磁同步电机d-q模型的转矩方程为： Te=Pfiq+(Ld-Lq)idiq （1） 矢量控制实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直-交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流空间矢量is=id+jiq。也就是说控制id，iq就可以控制转矩，从而控制转速。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果打了折扣。 直接转矩控制 上世纪80年代，Depenbrock教授提出了异步电机直接转矩控制方法。该方法摒弃了矢量控制的解耦思想，实行定子磁场定向，避免了矢量控制中复杂的坐标变换，定子磁链的估计仅涉及定子电阻，减速弱了对电机参数的依赖性，该控制方法简单，转矩响应快，动态性能好。目前已有一些学者致力于该控制方法应用于永磁同步电机，已取得了很大的发展。在定子上的旋转坐标为x，y；转子的旋转坐标为d，q；它们都互为90度。X轴与d轴的夹角为负载角，可以证明在定子磁链幅值|s|保持恒定的条件下，电磁转矩正比于转子磁链r及其与s间夹角的正弦。在稳态情况下，恒定，对应于相应的转矩，定、转子磁链以同步速度旋转；在动态过程中，随负载变化，定、转子磁链瞬时速度会出现差异，以配合的变化。因此，可以通过选择合适的电压空间矢量U来保证定子磁链幅值恒定，调节定子磁链的速度和运动方向同时通过调节负载角来完成对电磁转矩的控制。 反馈线性化控制 以上三种控制策略都已经获得成熟的应用，然而它们都只是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制，没有或较少应用控制理论。永磁同步电机从本质上是一个非线性、多变量系统，反馈线性控制是研究非线性控制系统的一种有效方法，它通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，从而控线性控制理论来设计，以使系统达到预期的性能指标。反馈线性化控制一般分二大类：（1）微分几何反馈线性化方法，它通过微分同胚坐标和一个非线性状态反馈给出解耦结构，需将问题变换到“几何域”，因而方法抽象，不利于工程应用。但它从较高的数学高度考虑问题，在理论上比较容易展开。（2）动态逆控制，它采用非线性逆系统理论来设计控制律，有人也称它为直接反馈线性化方法，该方法物理概念明确，用到数学简单。 反推控制 1992年，KOKOTOVIC P提出了反推控制，它是一种有效的非线性控制，它主要分以下几步来设计： (1) 选取系统的一个状态，构成子系统，构造子系统的Lyapunov函数，设计假定控制函数，使子系统稳定； (2) 基于(1)的假定控制，设计误差变量，由误差变量和前面的子系统组成新的子系统，构造新的子系统的Lyapunov函数，再设计假定控制，使新的子系统稳定； (3) 如果还没有得到系统的实际控制，则返回(1）继续设计，如果得到系统的实际控制，则向下设计； (4) 设计系统的实际控制，保证整个系统稳定。 反推控制能够实现永磁同步电动机系统的完全解耦，而且设计方法比较简单，能够保证系统稳定。 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性，它也属于BangBang控制的范畴。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态”的轨迹运动，与被控制对象的参数和扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。但它在系统中不可避免地带来“颤抖”问题。 自适应控制 在以上控制策略中，或多或少由于电机模型参数的变化，使系统控制性能变差。因此，提出了自适应控制，它在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，让控制策略根据新的信息来调整，它是克服参数变化影响的有力手段。现在应用于控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辩识自校正控制及其新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题：一是数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；二是辩识和校正都需要一个过程，对一些参数变化较快的系统，就会因来不及校正而难以产生很好的效果。随着DSP控制器的出现，高速的运算速度会减少计算慢的不足。 近年来受到控制界十分重视的智能控制，它能摆脱对控制对象数学模型的依赖，已成为众所瞩目的解决鲁棒性问题的重要方法。目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的，当数模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。 模糊控制 其中模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制器只是以取代传统PID控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没有积分作用，在伺服系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数PID调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机伺服系统，还不能得到令人十分满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能获得优良的性能。如模糊PID等。 神经网络控制 神经网络控制在交流伺服中的应用主要有下面几个方面：(1）代替传统的PID控制；(2)由于实际的矢量控制效果对伺服系统参数很敏感，将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；(3)无速度传感器矢量控制需要知道转速，神经网络被用来精确估计位置及转速；(4)结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器。 虽然将智能控制用于交流伺服系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能（如稳定性和鲁棒性）缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡。 当前交流伺服发展方向 综合交流伺服系统的发展与现状，可以十分清楚地看出其发展趋势，主要有以下几个方面： 不断完善理论的研究 尽管目前已有很多方法可以实现交流伺服，但仍存在许多问题待解决，如系统精度、可靠性、低速性能的提高等。另外，无传感器控制也是一个研究方向：提高转速估计精度的同时改进控制性能，增强系统抗参数变化等。 实用化 目前高性能的交流伺服系统主要依靠进口，这种现状限制了我国高科技产业化的发展。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有国际水平的高性能、产品化的交流伺服系统。 网络化 在国外，以以太网为基础的工业自动化得到长足的发展，为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行接口和专用的局域网接口，它增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也变得简单。摘 要：从跟踪系统定位的精确性、跟踪的平稳性需求出发,结合交流伺服电机优良的控制性能,详述了通过采用合理的ARM+FPGA芯片组控制策略以及完备的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM调速系统精确控制的方法。该控制策略的使用,提高了系统整体运动性能,实现了硬件资源的最大化利用。同时为交流伺服电机的容量选取方法提供了具有可操作性的参考资料。对于武器系统来讲，目标跟踪单元的优劣将直接影响到整个武器系统作战效能的整体发挥。而目标跟踪过程本身具有的特点又决定了跟踪系统必须具备稳定的低速跟踪能力、良好的过载能力以及快速的响应能力等特征。解决以上技术点非常关键的就是电机的选取和控制。在电机选择上，由于交流伺服电机具备了极高的控制精度、稳定的低频特性、优良的矩频特性、较强的过载能力以及快速的响应能力，并且已经成为控制电机发展的主要趋势，基于上述考虑，作者重点对永磁同步电动机在跟踪系统的运用进行了深入研究。交流伺服电机中，习惯上把由正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。文章重点探讨PMSM调速系统的精确控制技术。1 PMSM调速基本原理控制上，从PMSM理想条件出发，建立转子轴(d，q轴)数学模型，在假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，当永磁同步电机转子为圆筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系数B=0，得d、q坐标系上电磁转矩方程为：式中：id，iq，为d，q轴电流；Ld，Lq为定子电感在d，q轴下的等效电感；f为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；Pn为电机极对数。从转子坐标来看，对于定子电流可以分为两部分，即力矩电流iq和励磁电流id。矢量控制中通常使id=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时，式(1)的电机转矩表达式为：由式(2)看出，Pn及f都是电机内部参数，其值恒定，为获得恒定的力矩输出，只要控制iq为定值。可知，iq的方向可以通过检测转子轴来确定，从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。矢量控制的PMSM位置伺服系统一般由电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统，各环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础，而外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。尤其是电流环，他是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证定转子电流对矢量控制指令的准确跟踪，这样才能在电机模型中将定转子电压方程略去，或仅用小惯性环节替代，达到矢量控制的目的。因而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，研究同步电动机矢量控制系统必须涉及到电流环的研究。结合以上原理分析，作者在技术实现上依靠优良的控制器件和策略来保证高精度控制实现。2 伺服电机容量计算首先从电机本身人手，选择合适的交流伺服电机显然是驱动和控制的前提，在伺服电机选择上，需要考虑的参数比较多，考虑的因素也相对较为复杂，需要考虑电机的工作模式、工作环境以及机械装配形状等。对于跟踪系统来讲，其基本模式如图1所示。图1所示跟踪系统一个运行周期可以分划为4个阶段，分别为启动过程(t1)、跟踪过程(t2)、减速过程(t3)以及静止过程(t4)。分析可知，跟踪系统主要工作时间为跟踪过程(t2)，此过程中，将出现频繁的加速、减速阶段，因此在电机选择上，需要重点考虑额定输出功率、额定转矩、最大转矩、转动惯量等参数。图2为交流伺服电机容量计算基本流程，首先根据机械特性，计算负载的惯性距和负载转距，通过初步数据，暂时选定电机容量，然后根据系统基本技术指标，计算负载最快加速、减速时间，从而计算出加速、减速转距，绘制相应的负载转距特性曲线，从而计算出选定系统实际的转距数据，然后用求取的转距数据和额定转矩(TR)比较，如果求取的转距数据小于额定转距数据，则可按指定的运行模式运转，否则，调整初步参数重新进行计算，直到完成。3 PMSM调速基本实现3.1 控制系统基本组成图3为PMSM调速系统基本组成框图，从图中可以看出，系统主要围绕着电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统进行设计。设计上，选用了交流伺服专用芯片IRM-CK201，基于该芯片优良的性能，在基本不需要编程的情况下，可以完成系统的电流环、速度环控制，并且可以产生控制伺服电机的SVPWM驱动信号。同时作为运动控制芯片，IRMCK201在硬件上具备了伺服控制所必需的控制单元，如带死区时间设置的空间矢量PWM、PARK变换和CLARK变换、电流环PI调节器、速度环PI调节器、速度测量单元等，这样就很大程度上简化了复杂的设计过程，通过该芯片的使用，极大程度上缩短了项目开发周期。在主控芯片上，系统采用了ARM+FPGA构成的芯片组，由ARM完成IRMCK201的初始化以及外围数据总线和数据交互处理，由FPGA芯片完成系统位置环控制算法的实现。3.2 主控芯片组设计系统设计时，考虑到基于SRAM LUT结构的FPGA器件的上电配置问题和采用FPGA实现CAN总线以及外围设备的通信控制问题。项目组采用了组合配置的方式，即采用芯片组控制技术，芯片组包括了ARM芯片和FPGA芯片，通过ARM芯片可以较为简单地实现CAN总线以及外围设备的通信控制问题，通过FPGA芯片可以解决系统位置环控制算法的实现，同时基于ARM芯片的FLASH存储区可以实现SRAM LUT结构的FPGA器件的动态配置，实现芯片技术互补。在芯片选择上，ARM芯片选择了LPC2294芯片，FPGA芯片选择了FLEX10K芯片。采用PS(被动串行)配置方式。基本工作过程：当nCONFIG产生下降沿脉冲时启动配置过程，在DCLK上升沿，将数据移人目标芯片。配置后，DCLK通过延长十个周期的时钟，确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。配置文件的大小一般由后缀为rbf的二进制文件决定。文件的生成方法为：在Max+Plus编译状态，选择文件菜单的变换SRAM目标文件命令；然后在变换SRAM目标文件对话框，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential)，然后确定。在电路设计上，考虑到系统控制程序更新和升级的需要，我们充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC机通过LPC2294的UART0对ARM芯片进行程序实时更新，以实现系统整体控制的有效更新，进一步增加了系统的配制灵活性。基本配置电路如图4所示。3.3 高精度跟踪闭环控制实现系统设计上，