李超

摘要：噴墨印花的精度及其效率，主要由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)決定，由其驅(qū)動(dòng)的噴印小車(chē)需要滿(mǎn)足多方面的要求。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的PID控制器的效果并不理想。利用專(zhuān)家PID算法，并結(jié)合噴印小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的整定，由此得到的伺服控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足噴墨印花的質(zhì)量需要。本文就專(zhuān)家PID算法在噴墨印花伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：專(zhuān)家PID算法；噴墨印花伺服控制系統(tǒng)；應(yīng)用

對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)有著方便、快捷、可適應(yīng)性等特點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用在當(dāng)前的工業(yè)控制領(lǐng)域。不過(guò)，傳統(tǒng)的PID控制器很難對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，這對(duì)噴墨印花的質(zhì)量影響很大。本文研究了專(zhuān)家PID算法在噴墨印花伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，在相關(guān)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可依據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差變化情況及時(shí)的調(diào)整PID參數(shù)。相比于傳統(tǒng)PID控制技術(shù)，應(yīng)用效果更加理想，能夠有效地確保噴墨印花的精度及其效率。

1系統(tǒng)組成

噴墨印花的實(shí)現(xiàn)，首先由上位機(jī)軟件打印圖片數(shù)據(jù)及命令，并通過(guò)USB芯片Cypress68013傳送至 FPGA主控制板，由其協(xié)調(diào)控制噴頭驅(qū)動(dòng)板等部件，從而實(shí)現(xiàn)完整的印花過(guò)程。

其中，F(xiàn)PGA 主控制板將方向、使能等信號(hào)傳送至噴頭伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，然后驅(qū)動(dòng)噴墨字車(chē)實(shí)現(xiàn)印花環(huán)節(jié)的各方面要求。一般來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)正常打印、測(cè)試條打印、噴頭清洗等要求。

操作過(guò)程中，噴頭小車(chē)的運(yùn)動(dòng)并不是一成不變的，需不斷地進(jìn)行正反向運(yùn)動(dòng)，因此，噴頭伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要具備動(dòng)態(tài)性能好、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。同時(shí)，噴印小車(chē)在做完相應(yīng)的任務(wù)后，需及時(shí)的返回墨棧位置，這時(shí)候小車(chē)需要滿(mǎn)足一定的保持力矩，避免小車(chē)脫離設(shè)定好的位置，進(jìn)而導(dǎo)致不必要的損失。

本系統(tǒng)選取ST公司的STM32F103RBT6作為主控芯片，選用IR公司的IR2110S型前級(jí)驅(qū)動(dòng)器。

2專(zhuān)家PID控制器設(shè)計(jì)

在實(shí)際操作中，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有著一定的非線(xiàn)性特征，且參數(shù)不確定，因此由傳統(tǒng)PID控制器實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)難以取得理想的效果。特別是在速率曲線(xiàn)存在很大變化，且不斷啟動(dòng)的情況下，要想完成PID參數(shù)的整定難度非常大，往往難以確定一組適用于多個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合的參數(shù)。

通過(guò)線(xiàn)性?xún)?yōu)化，以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可較為容易地將PID參數(shù)限定在相應(yīng)的范圍內(nèi)。再結(jié)合專(zhuān)家PID算法，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出就有了更高的可靠性、穩(wěn)定性。

2.1小車(chē)啟動(dòng)加速

在收到 FPGA 發(fā)出的明確指令后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，依據(jù)專(zhuān)家系統(tǒng)，應(yīng)用積分分離來(lái)控制PID控制器的參數(shù)。這就表示，在確保0超調(diào)量的前提下將Kp設(shè)定的盡量大，本次將Kp設(shè)置為10，以盡快的達(dá)到速度最大。這時(shí)候，為了有效的防止因?yàn)榉e分飽和而導(dǎo)致的輸出速度變化，需將Ki設(shè)定為0。在這一過(guò)程中，為了盡可能的保證電流不超過(guò)額定電流，CPU的ADC電流采樣模塊要以PWM頻率相同的速率對(duì)總線(xiàn)電流進(jìn)行采集。

2.2小車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行

在具體的運(yùn)行階段，因?yàn)閲娔≤?chē)的速度會(huì)根據(jù)任務(wù)需要而發(fā)生變化，控制器需要迅速予以響應(yīng)，所以就應(yīng)該結(jié)合目前的轉(zhuǎn)速及目標(biāo)轉(zhuǎn)速的值科學(xué)合理的選擇Kp、Ki和Kd值。 本文通過(guò)實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)合控制理論，構(gòu)建了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓分段線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)這一理論開(kāi)發(fā)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定，從而實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)。

為了有效確保電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，還需引入積分參數(shù)，從而消除可能出現(xiàn)的靜態(tài)誤差。不過(guò)，在Ki太大時(shí)將會(huì)導(dǎo)致超調(diào)過(guò)大，在Ki太小時(shí)將難以有效的消除誤差。依據(jù)相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，將Ki的值設(shè)置為0.67，所取得的結(jié)果是最佳的。

2.3小車(chē)停車(chē)鎖定

完成打印任務(wù)后，噴印小車(chē)需要盡快返回墨棧位置，以對(duì)噴頭實(shí)施保護(hù)，這時(shí)候的噴印小車(chē)需處在鎖定狀態(tài)，如若不然，就有可能受到人為因素的影響，而脫離墨棧位置，使得噴頭發(fā)生堵塞，或是其他損壞。當(dāng)收到FPGA 傳來(lái)的剎車(chē)指令后，電動(dòng)機(jī)先是降低PWM，當(dāng)速度降到設(shè)定閾值1以下后，在關(guān)閉上橋臂3個(gè)MOS管的同時(shí)，開(kāi)啟下橋臂3個(gè)MOS管，這一階段，必須認(rèn)真的檢測(cè)總線(xiàn)電流，以避免電流過(guò)大而損壞電動(dòng)機(jī)，而且可以對(duì)下橋臂MOS管進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng)速度降到設(shè)定閾值2以下，在檢測(cè)到停車(chē)指令后，馬上讓電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)速度值進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)速度值變?yōu)榱愫?，進(jìn)行清零，同時(shí)保持當(dāng)前通電相序，進(jìn)入鎖定環(huán)節(jié)。

在該環(huán)節(jié)，以編碼器信號(hào)與電流采集信號(hào)作為輸入信號(hào)，以通電的兩相繞組的電壓作為輸出值，實(shí)現(xiàn)PI控制。當(dāng)編碼器信號(hào)發(fā)生變化后，提高PWM占空比，直至電動(dòng)機(jī)返回鎖定位置。

3試驗(yàn)結(jié)果

專(zhuān)家PID算法的應(yīng)用，其超調(diào)量接近為0，調(diào)整時(shí)間接近為200 ms，而且在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。與專(zhuān)家PID控制器比較，傳統(tǒng)的PID控制器存在著超調(diào)量大，調(diào)整周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

在停車(chē)鎖定階段，依據(jù)反饋得到的各類(lèi)信號(hào)，及時(shí)的對(duì)驅(qū)動(dòng)器的PWM占空比進(jìn)行調(diào)整，保證電動(dòng)機(jī)的保持力矩，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要的條件下降低電流環(huán)的超調(diào)量。同時(shí)，必須充分保證相應(yīng)的電流在設(shè)定范圍之內(nèi)。如果電流太大，不僅會(huì)損壞配件，還有可能造成電動(dòng)機(jī)的損傷，因此電流必須得到有效的控制。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的受干擾情況進(jìn)行分析，并觀(guān)察PWM占空比增大的波形以及對(duì)應(yīng)的電流曲線(xiàn)，表明這種技術(shù)能夠滿(mǎn)足噴墨印花小車(chē)的停車(chē)鎖定需要，有著極快的響應(yīng)速度，超調(diào)量也比較小。

4結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于專(zhuān)家PID算法的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，相比于傳統(tǒng)的控制器有著更加突出的性能。總的來(lái)說(shuō)，本文所提出的專(zhuān)家系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，因此輸出結(jié)果更加精確、效率更高，能夠更加有效地確保噴墨印花的精度。本系統(tǒng)還可以用作其他控制系統(tǒng)的參考模型，其中的線(xiàn)性關(guān)系的研究方法在其他控制器的設(shè)計(jì)中也有著極高的參考價(jià)值。而且，本控制器在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可行性，運(yùn)行成本也比較低。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉敏層，楊子毛，李陽(yáng)，等.一種優(yōu)化的PID算法在伺服跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2016，46（7）：16-19.

[2]韓強(qiáng)，王群，楊業(yè)超.噴墨印花設(shè)備中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2015，45（6）：61-64.

[3]高淑芝，張萌，柴梓晴.改進(jìn)的PID控制算法及MATLAB仿真分析[J].河南科技，2016（17）：34-35.