齊彤彤，王平欣

(1.天津內(nèi)燃機研究所，天津 300072; 2.山東省電力公司電力科學研究院,濟南 250002)

0 引 言

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅(qū)動技術的發(fā)展，伺服驅(qū)動技術有了飛速發(fā)展，各著名電氣廠商相繼推出各自的伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品，并在不斷更新完善。伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。90年代以后，伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動[1]?，F(xiàn)今隨著伺服電機的廣泛應用以及一些特殊應用系統(tǒng)的需求，傳統(tǒng)的伺服單元對伺服電機的控制不能滿足實際應用的需求，本文針對伺服單元無法滿足伺服電機輸出拉力的循環(huán)控制的情況進行研究并設計完成了PI控制模塊[2-3]，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能，實驗結果表明，本文設計的PI控制模塊能實現(xiàn)伺服電機的穩(wěn)定運動，使伺服電機輸出循環(huán)加載拉力，滿足實際應用需求。

1 系統(tǒng)構成

實際應用中要求電機在較小范圍內(nèi)根據(jù)給定信號反復運動，并能輸出指定的拉力或者壓力。本文通過使用PI控制策略[4]控制電機的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)電機輸出拉力或者壓力的循環(huán)加載能力。

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)基本原理圖如圖1所示。

圖1 基本原理框圖

系統(tǒng)主要包括三大部分，分別為控制部分、運動執(zhí)行部分和測試部分。其中控制部分由PI控制器、伺服單元構成，運動執(zhí)行部分由伺服電機和電動缸構成，測試部分主要是測試模塊。

系統(tǒng)中給定信號為0.1～1Hz的正弦電壓信號，PI控制器實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[4-5]，伺服單元限制電機的轉(zhuǎn)速和輸入信號，并且對意外情況有保護措施，防止急速動作[1]，伺服電機實現(xiàn)循環(huán)加載力的輸出，電動缸(傳動裝置)將電機的轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹本€上施加的壓力或者是拉力信號，連接到傳動軸的頂端的傳感器產(chǎn)生反饋力信號。該系統(tǒng)的目的是使電機在較小的位移下輸出指定的循環(huán)加載拉力。

直流偏置電壓和正弦波電壓疊加形成給定電壓信號，該給定電壓信號輸入給定信號輸入端，并與壓力傳感器的反饋電壓信號經(jīng)比例積分(PI)控制器實現(xiàn)信號的比較運算，其輸出信號輸入給伺服單元扭矩指令控制端，由工作在扭矩模式指令下的伺服單元控制伺服電機按照指定的拉力要求工作。

1.2 實驗平臺

本文選用系統(tǒng)包括安川的伺服電機和伺服單元，集成的壓力傳感器和毫伏變送器，PI控制器。本文采用安川∑-II系列 SGM□H/SGDM 型號伺服驅(qū)動器,控制方式為三相全波整流IGBT PWM控制。壓力傳感器使用H3F型拉力稱重傳感器， S型梁結構設計，拉壓雙向承載，安裝使用方便靈活。高精度，合金鋼材料，體積小巧，外型美觀。構建的實驗平臺如圖2。

圖2 實驗平臺

1.3 實驗方法

在施加循環(huán)加載的力之前要提供一個預壓力，為實現(xiàn)系統(tǒng)輸出壓力信號設定此信號為負值，給定信號波形如圖3，在偏置電壓信號為-1.5 V的基礎上施加幅值為1 V的正弦電壓信號，構成循環(huán)加載力的信號輸入。

圖3 給定波形信號

給定電壓信號與由壓力傳感器傳回的反饋信號在PI模塊中進行比例積分運算，其結果輸送給伺服單元連接器CN1的9、10號端子(扭矩指令的輸入端子)，伺服單元根據(jù)此扭矩指令控制電機輸出轉(zhuǎn)矩的大小，傳動裝置即電動缸將電機力轉(zhuǎn)換成力的直線輸出，實現(xiàn)循環(huán)加載力的輸出。

CN1的40號端子為伺服ON信號輸入端，采用24 V電平輸入，用于實現(xiàn)伺服單元的啟動。實驗前需考慮整體信號單位的統(tǒng)一，設定伺服單元的扭矩指令為5 V時達到額定扭矩，此參數(shù)由Pn400設定[1]。如圖4所示，當Pn400=50時改變斜率，使5 V電壓信號時對應正方向下的額定扭矩。

圖4 額定扭矩設定

實驗中，未加入信號時，電機仍以微小的速度運動，排除干擾源干擾的情況仍未解決，其原因是當為扭矩控制時( 模擬指令)，雖然已將指令電壓設置為0 V，但是由來自上級裝置或者外部的指令電壓帶有微小量(mV 單位) 的“偏移(= 指令偏移)”使實際輸出的指令信號并不為0 V。在調(diào)整該“偏移量(= 指令偏移)”，將其修正為“0 V”后，電機便可以正常工作[1]，偏差調(diào)整如圖5所示。

圖5 偏差調(diào)整

實驗前期，由于未加入直流偏置電路，此時應首先將伺服單元切換到手動控制，由手動控制命令使傳動軸直線前進，達到指定的預壓力后方可切換為自動控制。自動模式的開啟使用伺服ON命令。

2 比例積分控制電路

比例積分控制電路主要實現(xiàn)比例積分的作用，是本文的關鍵，也是控制的主要核心。

2.1 直流偏置電路

為適應實際工作要求，需加直流偏置電路，直流偏置電路如圖6所示， 由差分運算放大電路[3]構成，可以實現(xiàn)+5 V到-5 V的電壓信號輸出。

圖6 直流偏置電路

轉(zhuǎn)換開關S1可以實現(xiàn)直流偏置電壓信號的正負值切換，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出拉力或壓力的不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。R4、R5實現(xiàn)分壓，根據(jù)伺服單元的設置，統(tǒng)一標準，設置R4、R5的值，使得限制輸入的直流偏置電壓值為+5 V到-5 V。此直流偏置信號與正弦波信號同時輸入OP07構成的差分電路，實現(xiàn)信號的加法運算，輸出疊加有直流偏置的正弦電壓信號。使系統(tǒng)操作更加簡單方便，更適于實際應用。圖7為直流偏執(zhí)信號與給定波形信號的疊加過程。

圖7 直流偏置電路信號輸出

2.2 比例積分電路

PI調(diào)節(jié)控制是一個傳統(tǒng)控制方法[2]，它適用于多種控制現(xiàn)場。本實驗使用PI控制模塊實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[6-8]，其系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 PI控制系統(tǒng)原理圖

比例環(huán)節(jié)實現(xiàn)快速動作，比例系數(shù)P過小，動態(tài)響應慢，消除誤差的能力差。由于實際系統(tǒng)為有慣性系統(tǒng)，比例系數(shù)過大會造成系統(tǒng)發(fā)生震蕩，調(diào)節(jié)時應將P由大向小調(diào)，達到快速響應又不震蕩為最好。積分環(huán)節(jié)作用是實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。積分作用還必須與系統(tǒng)的慣性相配合，對于慣性較大的系統(tǒng)積分作用就應該弱些，積分作用過大會發(fā)生超調(diào)或者振蕩。所以積分作用是在調(diào)好比例環(huán)節(jié)的基礎上進行從小到大的調(diào)節(jié)，找到能快速消除誤差又不引起振蕩的積分系數(shù)為宜[6-9]。

如圖9所示，給定信號與反饋信號經(jīng)過運放的差分運算，然后做比例積分運算。差分運算J1用于濾除干擾信號。為方便單獨調(diào)試比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，故將比例積分部分分為相互獨立的兩個部分比例環(huán)節(jié)J2和積分環(huán)節(jié)J3。J4、J5是兩次反相過程，目的是使輸出更加穩(wěn)定。該電路中R10和C7為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)R10來改變比例系數(shù)，調(diào)節(jié)C7改變積分系數(shù)。由于實際應用時輸出效果并不穩(wěn)定，實驗發(fā)現(xiàn)在積分電容兩端并接一個較大的電阻即R9，可以消除運放存在的偏置電流、失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫度漂移，從而消除輸出電壓漂移帶來的積分誤差[3]，使系統(tǒng)穩(wěn)定性達到要求。由于整個系統(tǒng)運行時干擾信號較大，所以在每一級處都添加簡單的阻容濾波電路，由于信號為0.1～1 Hz，所以設計為低通濾波。整個電路板使用±15 V供電。

圖9 比例積分控制電路

3 實驗結果

實驗中分別對不同頻率、不同電壓、不同模型進行了實驗，實驗中使用了橡膠模塊和螺旋彈簧兩種模型來測試不同頻率、不同電壓下的控制效果。從實驗結果得知，硬性的橡膠模塊，容易控制，改變PI參數(shù)[9]能較好改善電機的運動效果，但是控制光滑度不夠好，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性主要在于積分環(huán)節(jié)，故在電容兩端并接一個合適的電阻[3]，此時控制效果得到顯著改善；螺旋彈簧呈柔性，單純的參數(shù)調(diào)節(jié)并不能使系統(tǒng)達到理想效果，通過多次實驗可知其與電機的最高轉(zhuǎn)速有關，如果轉(zhuǎn)速過高，發(fā)出指令后由于運動過快就會出現(xiàn)運動停滯現(xiàn)象，如果速度過慢又會使電機動作跟不上指令，所以在輸出信號頻率和電機的最高轉(zhuǎn)速有一個最優(yōu)的配合，采用經(jīng)驗配合后可以實現(xiàn)良好控制。實驗結果波形如圖10、圖11，分別為0.1 Hz和1 Hz下的波形輸出和反饋結果。

圖10 輸出波形1 Hz的檢測波形

圖11 輸出波形0.1 Hz的檢測波形

由實驗結果可以看出，反饋的電壓信號基本與給定電壓信號同步，證明設計的PI控制模塊使的電機的輸出力矩較好的跟蹤給定的電壓信號，實現(xiàn)了對電機輸出力矩的良好控制，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力以及拉力的循環(huán)加載輸出。

4 結 語

本文提出并設計了PI控制模塊，該模塊具有很強的通用性能，參數(shù)整定方便、設計簡單、運行可靠，解決實際應用中伺服單元對伺服電機扭矩控制的不足現(xiàn)象。實驗結果表明本控制模塊具有較好的控制效果，易于實現(xiàn)，在工程控制領域有較強應用能力，具有廣泛的應用價值。