基于PMAC的直線電機(jī)速度加速度前饋控制
發(fā)布日期：2022/7/20點(diǎn)擊次數(shù)：636
由于傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”伺服進(jìn)給方式難以滿足加工精度和速度要求，因而，直線電機(jī)的精密進(jìn)給加工方式開始出現(xiàn)。雖然直線電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面得到大大簡(jiǎn)化，沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)的剛性得到很大提高，由于中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)所帶來的誤差也得到了較好的改善，但相對(duì)應(yīng)也給電氣控制帶來了更高的要求。如何在傳統(tǒng)控制方式基礎(chǔ)上，充分利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制，就變得尤為重要和緊迫；谏鲜龇治，本文提出了基于PMAC的直線電機(jī)速度/加速度前饋控制。
2PMAC運(yùn)動(dòng)控制器將機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制功能由獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器完成，運(yùn)動(dòng)控制器通常以PC硬件插件的形式構(gòu)成系統(tǒng)。數(shù)控上層軟件（數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面等）以PC為平臺(tái)，運(yùn)行于Windows等主流操作系統(tǒng)上，這已成為開放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主流結(jié)構(gòu)模式。
推出的PMAC（ProgrammableMutli-axesCon-troller）開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器為代表，DELTATAU公司利用NGC，OMAC等協(xié)議，采用PC加PMAC控制器構(gòu)成的PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)，獲得了良好的應(yīng)用前景。
PMAC運(yùn)動(dòng)控制器提供了運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控功能，它借助于Motorola的DSP 56001/56002數(shù)字信號(hào)處理芯片，可同時(shí)控制1~8個(gè)軸，它的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于一般控制器，其伺服控制包括PID加NOTCH和速度、加速度等前饋控制，它甚至可連接NACRO現(xiàn)場(chǎng)總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)控制。
一般來說，伺服控制能力只能用每h完成的操作或生產(chǎn)的合格零件來衡量。當(dāng)今，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求已超過對(duì)生產(chǎn)率的要求，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的每一部件都要最好，而對(duì)于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器來說，無論在處理能力、軌跡特性和輸入帶寬特性方面，其性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)地優(yōu)于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器。
此外，PMAC為用戶提供了更大的柔性，它允許同一控制軟件在3種不同總線（PC-XT和AT，VMESTD）上運(yùn)行，由此提供了多平臺(tái)的支持特性，并且每軸可以配置成不同的伺服類型和多種反饋類型。其具體體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。
伺服接口有模擬式和數(shù)字式兩種，可以與不同伺服系統(tǒng)相連接。
可以與不同檢測(cè)元件相連接：測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等。
PLC和界面功能的實(shí)現(xiàn)：有著內(nèi)裝式軟件基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59775064）化的PLC，并可按用戶的需求訂制。
PMAC可同PC機(jī)以串行、并行和雙口RAM等方式進(jìn)行通訊。
3基于PMAC的直線電機(jī)速度/加速度前饋控制直線電機(jī)的控制在高精度微進(jìn)給的數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于對(duì)直線交流伺服電動(dòng)機(jī)控制要求比較高，因而必須考慮到一些更細(xì)微因素對(duì)系統(tǒng)性能的要求，諸如系統(tǒng)的非線性、耦合性及負(fù)載擾動(dòng)、噪聲檢測(cè)等，特別是端部效應(yīng)引起的推力變化等，都將使伺服系統(tǒng)性能變壞，難以滿足高精度微進(jìn)給的要求。因此，必須采取有效的控制策略抑制這些擾動(dòng)，有效地實(shí)現(xiàn)精密和微量的進(jìn)給，以期實(shí)現(xiàn)精密和超精密加工。
在直線交流伺服系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制策略如PID反饋控制、解耦控制等，在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮到對(duì)象結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因素，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制策略在直線伺服電動(dòng)機(jī)控制的研究中受到了很大的重視。而對(duì)控制對(duì)象、環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的系統(tǒng)最好采用智能控制方法。模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制是當(dāng)前3種比較典型的智能控制策略。
基于PMAC的控制算法在采取各種控制方法時(shí)，基于對(duì)對(duì)象模型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，必須從直線交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有高度快速性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)這一具體對(duì)象的特性出發(fā)，不可能在非常短暫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的控制算法。同時(shí)，要針對(duì)產(chǎn)生擾動(dòng)的不同原因的特殊性，以相應(yīng)見長(zhǎng)的控制策略對(duì)付之。伺服系統(tǒng)另一個(gè)重要性能就是其對(duì)指令的跟蹤能力，在理想情況下，輸出能無延遲、無超調(diào)地跟蹤輸入指令的變化。一個(gè)成功的控制策略，必須針對(duì)具體對(duì)象的特點(diǎn)，在滿足主要要求的同時(shí)，兼顧跟蹤能力和抗擾能力。
在這種情況下，并考慮到PMAC強(qiáng)大的伺服控制功能，在傳統(tǒng)的PID控制算法的基礎(chǔ)上，再加上速度和加速度的前饋，用速度前饋來減小微分增益或測(cè)速發(fā)電機(jī)環(huán)路阻尼所帶來的跟隨誤差，用加速度前饋來補(bǔ)償由于慣性所帶來的跟隨誤差，同時(shí)，加上陷波濾波器來防止諧振，以抵消共振。正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直線電機(jī)速度/加速度前饋控制，其算法如所示。
第一位置反饋基于PMAC的直線電機(jī)速度/加速度前饋控制算法在上述的控制算法中，各參數(shù)所代表的變量分別如下：IM：積分模式（/*34）Kf速度前饋增益（/*32）加速度增益（/*35）n1：帶阻濾波器系數(shù)（/*36）n2：帶阻濾波器系數(shù)（/*37）；1：帶通濾波器系數(shù)（/*38）；2：帶通濾波器系數(shù)（/*39）。
控制算法的性能分析及參數(shù)調(diào)整在機(jī)態(tài)特性，需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整和校正。
在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制環(huán)對(duì)系統(tǒng)的影響是巨大的，因而當(dāng)系統(tǒng)的基本特性確定后，就需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過伺服濾波器的調(diào)節(jié)，根據(jù)被控物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)伺服環(huán)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、設(shè)置使得伺服系統(tǒng)的剛性好，系統(tǒng)穩(wěn)定及跟蹤誤差小。
在上述的PMAC控制器對(duì)直線電機(jī)的速度/加速度前饋控制環(huán)算法中，其中各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)電一體化系統(tǒng)中為了獲得磨厲態(tài)特性和和校正對(duì)系統(tǒng)的影響是不容忽視的。下面。net分別敘述一下系統(tǒng)中各參數(shù)及其調(diào)節(jié)。作為P參數(shù)的I*30，是系統(tǒng)的比例增益，作為I參數(shù)的I*33，是算法中的積分增益；作為D參數(shù)的I*31，是算法中的微分增益；/*32是速度前饋，通過它可減少由于微分的引入所帶來的跟隨誤差，具體調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)電流環(huán)，I*32應(yīng)等于或略大于I*31，對(duì)速度環(huán)，I*32應(yīng)遠(yuǎn)大于I*31；/*35是加速度前饋，由它減少由于系統(tǒng)慣性所帶來的跟隨誤差，尤其是當(dāng)反應(yīng)滯后特別明顯時(shí)，應(yīng)增加I*35；*34為積分模式，通過它決定積分增益是全程有效還是在控制速度為0時(shí)有效。在調(diào)整中，當(dāng)I*34為0時(shí)，積分增益全程有效，當(dāng)I*加上適當(dāng)速度前饋后的速度拋物線運(yùn)動(dòng)結(jié)語(yǔ)隨著現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)小批量和個(gè)性化產(chǎn)品的需求，高速和超高速精密加工正變得越來越重要。作為一種新型的直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和重視，基于PMAC對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行速度/加速度前饋控制，利用速度和加速度的前饋控制，從而很好地補(bǔ)償了電機(jī)阻尼電路和慣性等所帶來的跟隨誤差，使得系統(tǒng)的性能得到較大的提高，進(jìn)一步提高34為1時(shí)，積分增益只在控制速度為0時(shí)才有效。當(dāng)速度前饋I*32太大時(shí)，會(huì)帶來太大的跟隨誤差。在實(shí)際調(diào)節(jié)中，應(yīng)使其略大于或等于微分增益I*31.與此同時(shí)，適當(dāng)?shù)丶尤爰铀俣惹梆仯瑢⑹闺姍C(jī)的性能達(dá)到更好。在增加了適當(dāng)?shù)乃俣惹梆伜图铀俣惹梆伜蟮乃俣?跟隨誤差曲線圖如，所示。從圖中可以看出，由于引入合適的速度前饋和加速度前饋后，跟隨誤差和速度的相關(guān)性變?nèi)酰瑫r(shí)，跟隨誤差也得到大幅度的下降，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的控制性能得到較大的提高。
加上適當(dāng)加速度前饋后的速度拋物線運(yùn)動(dòng)圖機(jī)電系統(tǒng)的控制精度。
