基于PMAC2 控制的刀具刃磨中心参数整定

2014-11-18王占领白海清

机床与液压 2014年20期

王占领，白海清

(陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 723003)

运动控制卡是刀具刃磨中心控制系统的核心部件。系统以工业控制计算机为基础，Tubro PMAC2 PCI 直接插入IPC 的PCI 总线插槽形成主从式结构，PMAC2 完成对伺服轴的控制以及检测，工控机实现对系统的管理功能，编码器、电机、光栅等硬件装置通过轴转接板ACC-8P 与主卡连接，从而形成了刀具刃磨中心控制系统的硬件部分。为了使刀具刃磨中心获得良好的稳态性能和动态性能，必须对连接好的系统控制环进行调整和校正。在自动控制领域，PID 控制算法一直起着非常重要的作用，而数字PID 具有控制准确、实现方便等特性，正越来越多地应用于现代控制系统。通过对数字PID 控制算法的运用，利用PMAC2 参数调整软件Pewin32 PRO2 对系统的性能参数进行调整，达到提高系统性能的目的。

1 PMAC2 中PID

1.1 PMAC2 中PID 控制原理

PMAC2 作为一个全数字伺服系统，由软件通过调节PID 参数实现对位置、速度和电流的控制，同时在控制过程中引入了具有回馈和前馈复合控制的数字控制体系结构，这种结构可以消除系统的静态位置误差以及外界扰动引起的误差，可以满足大部分场合的要求。PMAC2 伺服控制算法原理如图1 所示。

图1 PMAC2 PID+陷波伺服滤波器

1.2 PMAC2 中PID 参数调整

PMAC2 型运动控制卡的PID 参数调整是通过对电机I 变量的调整来实现的。在电机整定过程中涉及到的I 变量见表1。

表1 PMAC2 PID 主要调整参数

2 刀具刃磨中心数控系统参数整定

2.1 系统PID 参数调整

作为线性定常系统中最差的激励信号，阶跃信号相当于理想化的开关信号，如果系统在阶跃激励作用下能满足要求的话，在其他激励信号作用下基本也能满足要求。PMAC2 通过执行PID 参数调整程序激励电机，采集响应数据，根据响应曲线来调整和评估系统性能。在实际阶跃响应调整过程中，采用自动+手动的方式对系统的PID 参数进行整定:

首先进行系统的自动调整，在PID 调节模块下选择需要调整的电机(以X 轴电机为例)，设定好波特率、带宽、信号幅度、时间常数等参数进行自动调整;以自动调整的结果为起点再进行交互式调整，通过响应曲线进行分析判断，依据前面所述的PID 调节原则，确定下一步要调节的参数及其大小;反复调整直至结果比较理想为止。系统X 轴的阶跃响应过程如图2 所示。图中cts 表示脉冲个数，下同。

图2 (a)为系统自动调节时的脉冲响应，由响应曲线可知:系统的跟随误差较大同时伴随有振荡;图2 (b)中的响应曲线反映出系统的跟随误差已明显减小，需要继续增加系统刚性;图2 (c)表明系统存在超调振荡，但频率较低;图2 (d)反映系统的综合性能较好，基本能够满足控制要求。表2 为X轴PID 参数调整过程记录。

图2 X 轴阶跃响应过程

表2 X 轴PID 参数调节记录

2.2 系统前馈增益调整

对于没有前馈的伺服系统来说，跟随误差和速度、加速度是成比例的。伺服系统引入速度前馈和加速度前馈项后，可减小甚至消除系统跟随误差。PMAC2 卡通过抛物线响应调节速度和加速度前馈。首先是给系统一个抛物线激励以观察效果，以减小跟随误差和相关系数为目的，从零开始增加速度前馈增益，直到比率尽可能地接近0。加速度前馈调整方法与之相似。

图3 表示X 轴电机在不同速度前馈系数Kvff下的抛物线响应曲线。

从图3 (a)可看出抛物线响应过程中速度跟随误差反相，主要原因是速度前馈系数Kvff过大，需要减小Kvff;从图3 (b)可看出速度跟随误差过大，原因主要是阻尼的影响，应增加速度前馈系数Kvff加以调节;图3 (c)的速度跟随误差基本上到最小了，并且集中在中部，沿运动轨迹均匀分布，是较理想的调节结果。表3 为系统X 轴抛物线响应调节过程记录，表中:tv表示速度相关时间，越小越好;Fe表示平均误差;ta表示加速度相关时间，越小越好;Fe(M)表示最大速度跟随误差。