基于全数字伺服控制单元的插补控制算法研究

李守富

数字控制是指控制系统中发出的信号是脉冲信号。数字式全闭环伺服控制系统是一种同时具有位置控制和速度控制两种功能的反馈控制系统。控制单元发出的指定位置值与位置检测值的差值就是位置误差，它反映的实际位置总是滞后于指定位置值。位置误差经处理后作为速度控制量控制进给电机的旋转，使实际位置也以此速度变化，而且实际位置始终跟随指定位置，当指定位置停止变化时，实际位置等于指定位置。数字控制系统的优点是，由于采用数字信号，抗干扰能力强；应用系统简单，易于开发；系统稳定性好。
传统的交流伺服系统是典型的速度闭环系统，伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为-Ui～+Ui的速度指令信号。电压从-Ui变化到+Ui的过程中，伺服电机可实现从反转最高速上升到零，然后再上升到正转最高速。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在伺服电机和控制系统之间构成一个位置环。
& ]0 v' L$ J$ v7 X: c运动控制算法
2 C; N8 Y$ S: `, x7 u! F这个位置环是由数字伺服控制单元来完成的。位置环的功能是实现位置闭环控制，输入脉冲实际上是一个差动脉冲，即由预先设定好的脉冲给定与反馈回的实际测量脉冲的差值，即根据给定位置和测量位置以及动态的误差，计算所要求要达到的速度参考，并将其提供给伺服驱动单元。如图1所示为数字伺服控制单元的运动控制算法框图：

图1 数字伺服控制单元的运动控制算法
0 o3 M" }4 h2 G1 j* G2 |整个数字伺服控制系统是靠实时监控和调整速度参数，即伺服驱动单元的输入脉冲来控制伺服马达。而运动控制算法用来计算这个速度参数。由图1，可以看出速度参数是由位置给定、测量脉冲和反馈误差这3个参数来决定的。另外，5个增益参数Kp、Ki、Kd、Kov和Kvff定义了不同的控制模式下的位置控制操作。
7 z. g" J$ d  _0 H比例增益Kp可以产生一个输出Op，任何控制模式都要用到比例增益Kp，它是与反馈误差E成正比的，即:
) m) D; M2 x( y# I+ {* v7 o& ZOp＝Kp×E (1)
% G5 t$ G2 d" r' i积分增益Ki产生的输出Oi与误差E的总和成正比，
) d! g# N* d2 k/ c3 a- ]即 Oi＝KI×ΔE(2)
由于积分增益调节容易造成超出调节范围，所以一般只有系统工作在恒定速度状态或者慢加速的情况下才用到它。
Od是由微分增益Kd计算得出，它反映了反馈误差脉冲的变化。
6 `: w; i; W* n* P  Z* `  B: Y+ h即 Od＝Kd×ΔE(3)
微分增益调节可以产生一个平滑的响应，但在增益较高时会产生振动。
速度输出增益Kov产生的输出Oov是与测量位置Pm的改变成比例的，它能够增强系统的阻尼特性。
: K+ o: N# n3 ^- x即 Oov＝Kov×ΔPm (4)
/ r4 _/ S6 K) N/ P$ j& a速度前馈增益Kvff产生的输出Ovff是与给定位置Pd的改变成比例的。
. V, ^- S2 ~3 E; a  u即 Ovff＝Kvff×ΔPd (5)
. h- D$ J4 w+ j  i' y控制算法的实现
控制流程图
0 w% v" U) f& X7 H+ e1 J, ^- f据上述运动控制算法的分析，利用C语言设计、编制了全闭环运动控制的测试程序。具体的控制流程图如图2。

图2 控制流程图
" W" s% c* e7 Y8 u为了增强系统的稳定性，位置增量采取限幅处理，因为位置增量过大不利于安全操作和系统的稳定，而输出限幅处理是为了在位置设定值突变时，防止计算结果可能大于执行机构的极限。
+ w/ T: K# e6 S0 e- F; O/ ]程序调试
' x% t5 k# o' S4 [+ A6 e- ^在程序调试过程中，有3个参数要精确调整：
; i! Y6 c  l9 G·比例环节的Kp参数影响系统动作的灵敏度及控制的稳态精度，增大Kp的值有利于减少稳态误差，提高直线电机的控制精度，但随着Kp的增大，则系统将不稳定;
·积分环节的Ki参数用于控制系统的稳态误差，Ki若设置得太小，振荡次数将增多。若设置得太大，不利于消除系统的稳态误差，难以获得较高的控制精度；
·对Kd设置得偏大或偏小时，都使系统的超调增加，调节时间加长，不利于系统的稳定。
另外，还可以把开环控制和闭环控制结合起来使用，也就是在闭环控制回路基础上，附加一个输入信号(给定或扰动)的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿。以达到精确的控制效果。由于篇幅的关系，在这里就不详细介绍了。
结束语
3 I/ ~  E- l, Q5 H6 ]% p文章对全数字伺服控制单元的插补控制算法进行了阐述和分析，研究并编程实现了一种新的基于全数字伺服控制单元的插补控制算法。由于用软件编程方法实现该插补控制算法，参数变化十分灵活，因而可以获得广泛的应用。该算法已经成功应用于工程中，并得到客户的一致好评，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。【MechNet】
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