基于pid控制交流伺服系统设计与实现

基于pid控制交流伺服系统设计与实现内容摘要：

、位移和运动轨迹控制。 伺服电机的转轴上安装夹具，固定钢丝绳。 另外一端是转盘，把钢丝绳一端缠绕在圆盘上。 试件固定在圆盘上 ， 伺服电机转动后，通过钢丝绳传动，控制试件在一定的时间内转到指定位置 ，实现 速度控制、位置控制、运动控制等。 系统框图如图 ： 图 伺服系统结构框图 工控机 运动控制卡 电机驱动 器 电 机 工作平台 旋 转 变 压 器 第 14 页，共 44 页 3 伺服系统 硬件 设计 伺服控制系统由 上位 PC 机 IPC6可编程多轴运动控制卡 PMAC、转接板、伺服驱动器 丹纳赫 S6交流伺服电动机 丹纳赫 AKM52K 和工作平台 组成 ，本章分五个小节介绍各部分系统硬件组成及器件选型和技术参数。 系统框图如下图 ： 图 系统框图 伺服运动控制器选择 Delta Tau 公司生产的控制卡 Turbo PMAC 的 PCI 精简板 ， 主控芯片是 32 位浮点运算处理器 DSP 芯片 ， 通 过 PCI 总线与计算机相连 ，与伺服驱动器之间采用 RJ45 连接器进行连接 ， 可以实现的 100Mbps 实时数据通信 ， 通过以太网可以实现位置 、 速度 、 加速度等信号的远程数据传输。 伺服驱动器选择 丹纳赫 数字伺服放大器 S620， 内部包括三个控制回路 ， 从内到外依次是电流环 、 速度环 、 位置环。 电流环和速度环的作用是提高系统的刚度从而抑制系统的非线性及外部扰动 ， 系统的精度依靠位置环来保证。 由于交流伺服电机驱动器已经将电流环和速度环封装好 ， 因此我们只需要给出位置环的输入量从而进行位置闭环控制即可。 伺服电机选择丹纳赫公司的伺服电机 AKM52K， 自带旋转变压器 ， 可以检测出伺服电机转动轴的速度和转动角度。 旋转变压器的输出作为速度和位置反馈信号与伺服电机驱动器连接 ， 从而构成完整的位置闭环系统。 闭环系统的优点是定位精度准确 ， 缺点是调试比较复杂。 PMAC 运动控制器 PMAC(Programmable MulitAxis Controller)是美国 Delta Tau 公司 90 年代推出的开放式可编程多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能，它以 MotoroIa 56001 24 位定点数字信号处理 IPC 610 PMAC S620 AKM52K 工作平台 旋 转 变 压 器 第 15 页，共 44 页 芯片 为核心，具备强大的功能，是一个真正意义上的开放式平台，其最大的特点是它提供给用户的优越、特殊的开放性能。 它全面地开发了 DSP(数字信号处理器 )技术的强大功能。 运动控制器具有较强的功能和最大的灵活性 ， 同时又能很方便的使用 [27]。 本系统使用的是 Turbo PMAC 的 PCI 精简板 运动控制卡 ， Turbo PMAC的 PCI精简板 非常适合以单独的模拟量输入作为速度或力矩控制指令与传统的伺服驱动器连接。 它能够实现 32 轴控制 ， 虽然板上只有 4个轴的接口电路 ，但是通过其外端接口连接 ACC24P 或 ACC24P2板可扩展到 多达 32轴的接口电路 [28]。 Turbo PMAC 的 PCI 精简板 是一块全尺寸的 PCI 总线扩展卡。 当 Turbo PMAC的 PCI 精简板 通过 PCI 总线与上位机通讯时 ， 可以选用或不选用用来提高总线通讯速度的双端口 RAM， 而且它不需要插入一个 PCI 扩展的插槽也能够使用。 Turbo PMAC 的 PCI 精简板 还可以通过 RS232 或 RS422 串口通讯 ， 可以脱机独立的进行操作。 实物如图 所示 : 图 PMAC 的 PCI 精简板 PMAC 的 PCI 精简板 功能强大 ， 具有如下特性 : ⅰ 、 硬件特性 : 控制卡的硬件核心部件 40 MHz DSP56303 CPU， 能够独立运行存储于其内部的程序 ， 也 可以执行运动程序和 PLC 程序 ， 同时进行伺服环更新 ， 对于不同的任务具有优先级自动判别功能 ； 512k x 24 位 SRAM 存储器应用于用户数据存储 ，程序存储和编译 ； 1M*8 位 flash 存储器用于用户备份和固件 ； RS232/RS422串行接口 ， 33 MHz 5V PCI 总线接口 ；两 通道轴接口电路 ， 每一个包括： • +/ 10V 模拟量输出 • 3 信号 ( A /B /C(Z) )积分编码器输入 第 16 页，共 44 页 • 4 个标示信号输入 ， 2个标示信号输出 ⅱ 、 软件特性 支持 S 曲线加减速的直线插补 ； 支持 S 曲线加减速的圆弧插补 ； 控制器点到点快速运动 ； 三次样条插补模式 spline； 三次隐式样条插补 PVT； 自动硬件捕捉 /触发功能 ； 交互式手动运动。 ⅲ 、 伺服特性 独立的数字 PID 反馈滤波 ； 速度前馈 ， 加速度前馈 ， 摩擦力前馈 ； 2 路陷波滤波器 ； PID 参数可随时任意改变 ； 可编程的极限输入 /输出 ； 可选择的多级点伺服算法。 ⅳ 、 运动程序特性 高级程序语言 ； 自动按顺序执行运动 ； 使用用户工程单位编程 ； 运动的值可以是公式 ， 也可以是常量 ； 自动匹配坐标系里的各轴 ； 支持 G 代码和代码扩展。 ⅴ 、 PLC 程序特性 与运动程序异步 ； 与硬件 PLC 一样控制 I/O； 脱机运行时 ， 作为支持平台 ；安全和状态监视 ； 伺服比例行程安排 ； 数据报告功能 ； 可使用控制器的全部寄存器 [29]。 伺服驱动器 伺服驱动器选用的是美国 丹纳赫 驱动器 S620， 该驱动器具有先进的驱动特性 ， 支持主流现场总线的选件卡 ， 单轴控制器的能力和 I/O 扩展能力。 优点如下 ：具有优良的控制特性 ， 响应速度快 ， 易于操作 ， 直接电网运行 ， 230V10%— 480V+10%；输出电流 — 70A； 配有集成电源滤波器 ， 所有屏蔽接线直接连在放大器上集成位置控制 器 ， 配有用于存储 255 个运动任务的存储器智能定位 ； 编码器仿真可选择增量式或绝对值式 ； 多种反馈系统 ， 集成增量式编码器和旋转变压器 [30]。 伺服驱动器的接线端口图如图 : 第 17 页，共 44 页 图 伺服驱动器接线端口图 伺服驱动器共有 11 类接线端口 ， 从 X0到 X10： X0为交流电源连接口 ， L1， L2， L3分别接三相电源的三相 ， PE 接地。 X1编码器接线口 ； X2旋转变压器接线端口接电机反馈 ； X3 输入输出端口与 PMAC 卡相连 ， 包括两路可配置模拟量输入 、 两路可配置模拟量输出 ， 输入输出范围 +10V， 四路可配置数字量输入 ， 两路可配置数字量输出 ， 远程使能输入 ， 24VDC； X4为 24V输入端口 ， 外接 24V电压源 ； X5编码器等效输出端口 ； X6计算机接口 ， 与工控机连接 ； X7直流回路 ； X8制动电阻 ； X9电机制动器 ， 与伺服电机相连 ， 为其提供电源 ； X10 电机 ， AS 安全继电器 (可选 )。 第 18 页，共 44 页 表 S620 伺服驱动器参数 额定输出电流 A 输出峰值电流 A 额定输出功率 (KVA) 内部功耗 (W) 交流输入电源 电压 (VAC) 20 40 200 230~480 与通用型变频器、交流主轴驱动器等感应电机控 制用交流调试装置相比，伺服驱动器的控制相对简单，驱动器的参数数量较少，其操作与调试均较方便。 驱动器的现场调试应在完成全部电气连接和机械安装后进行，现场调试步骤如下 : ⅰ、完成驱动器的全部电气连接，确认急停与安全回路的工作正常可靠。 ⅱ、按照设计要求接通驱动器控制电源与主电源，进行驱动器参数初试化。 ⅲ、检查软件版本、电机与驱动器基本配置参数。 ⅳ、进行驱动器的快速调试与自动调整。 如电机的使能 、 点动 、 停止 、 回零等操作。 ⅴ、 记录保存设置的参数。 伺服电动机 伺服电动机选用的 丹纳赫 的 AKM52K。 该电机能提供非常高的转矩和加速度 ， 同时具有定位精度高 、 响应快 、 可靠性好 、 换相性能优 、 方便控制等特点 [31]。 实物 如 图 所示 ： 图 AKM52K 交流电动机 第 19 页，共 44 页 表 电机参数 [32]: 峰值失速转矩 (N/m) 拐点速度 (rpm) 4340 额定功率下的转矩 (Tcr) 最高速度时的峰转矩 (N/m) 停止时的连续转矩 (Tcs) 额定速度 (rpm) 5500 最高速度 (rpm) 6000 连续失速电流(Arms) 峰值转矩时的电流 (Arms) 惯量 J(kg/cm2) 试件工作平台 工作平台由转盘及两根钢丝绳搭建而成。 伺服电机的转轴上安装夹具，固定钢丝绳。 另外一端是转盘，把钢丝绳一端缠绕在圆盘上。 试件固定在圆盘上 ， 伺服电机转动后，通过钢丝绳传动，控制试件在一定的时间内转到指定位置。 系统装置 实物图 如下图 所示： 图 试件工作平台 实物图 第 20 页，共 44 页 伺服驱动器 S620 与其它装置接口连线 系统主要供电连接： 图 系 统主要供电连接 X0A/B 接交流电源，为驱动器供电。 辅助电源 X4接线： 图 辅助电源 X4接线 X4为 24V辅助电源接口，当此 24V导通时， Enable 有效。 驱动器与电机的接线 (X9): 导线长度 25m用此连接 方式，在本设计中导线长度 25m 第 21 页，共 44 页 图 驱动器与电机的接线 驱动器与旋转变压器的接线 (X2)， 实现位置反馈： 图 驱动器与旋转变压器的接线 驱动器与 PMAC 卡的接线 (X3)： 第 22 页，共 44 页 图 驱动器与 PMAC 卡的接线 驱动器与译码器的接线 (X5)，实现速度反馈： 图 驱动器与译码器的接线 (X5) 增量式编码器 用作标准马达的反馈。 每次 24 V 辅助电压开启时 ， 为实现 位置控制 (参数值 MPHASE)， 放大器 需要 启动信息。 可 根据反馈类型或已执行wakeamp。 shake 或者放大器的 EEPROM 读出 MPHASE 的值。 第 23 页，共 44 页 4 交流伺服控制系统的软件部分 软件设计是整个控制系统设计的重要组成部分 ， 软件是实现系统控制策略的核心。 系统包括上位机的控制界面设计 和对控制器的参数整定与调节以及下位机的运动程序。 整个系统是在 VB 环境下 ， 伺服电机的控制是通过调用 PMAC 提供的 ActiceX控件 PTalkDT 实现系统上位机 IPC与下位机 PMAC 运动控制卡之间的通信。 对于系统的下位机软件编程 ， 是通过 PMAC 编程软件 Pewin32 Pro 来实现编程和下载运动程序。 PMAC 编程软件 Pewin32 Pro 的介绍 Pewin32 Pro 是 Delta Tau 公司开发的支持 Microsoft Windows 系列的软件工具包。 它由以下组件组成： Pewin32 Pro：它是调试和设定 PMAC 的程序，是软件包的主程序； PMAC Plot Pro：它可以在运动过程中访问各种内存寄存器，绘制和分析运动中电机 的各种状态； PMAC Tuning Pro：可以最优化电机的速度和加速度特性； P1 Setup32 Pro：采用向导界面，帮助我们设置 I 型卡； P2 Setup32 Pro：采用向导界面，帮助我们设置 2型卡； Turbo Setup32 Pro：采用向导界面，帮助我们设置 Turbo PMAC 卡、 UMAC、QMAC、 MACRO Station； UMAC Config Pro：识别并配置 UMAC 的各种组件； 配置 Pewin32 Pro 组件： 在保证 Pewin32 Pro 软件正确安装和被识别的前提下，我们可 以按照如下步骤配置该软件。 ⅰ、 执行 Pewin。