基于数字伺服控制原理实验系统

何 俊，夏 斌

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

伺服控制系统（伺服单元）是具有位置、速度、或加速度闭环控制的机械系统［1］。随着伺服控制技术的发展，伺服系统的应用几乎遍及社会的各个领域，尤其是在机械制造行业中应用最广［2］，各种机械加工设备和机械装置的运动控制都离不开伺服控制技术。应用伺服控制可实现高精度、高速度、复杂的运动控制，例如数控机床和机器人手臂关节的运动控制等。由于在工业自动化生产过程中，只要涉及到被控设备精确地跟踪给定参数，就需要用到伺服技术［3］，因此让学生掌握伺服控制原理对以后机械产品设计、调试、故障诊断等非常必要。伺服控制原理理论知识比较复杂，对机械专业的学生来说是一门跨学科的知识，同时目前国内没有较好的数字伺服实验系统。为此本文设计一种将复杂的伺服控制理论转化成电机实际动作和运动过程曲线的实验系统。通过该系统，可以让学生了解伺服控制原理，同时掌握伺服系统各参数对伺服电机的影响，从而借助该实验系统的学习，掌握数控技术及伺服技术。

1 实验系统简介

该实验系统的系统结构框图见图1。该系统由上位机PC、下位机PLC、控制电路、电机及驱动电路、丝杠光栅尺等组成。电机选用三相无刷直流电机［4］，电机驱动器内部包含电子换向主电路，即三相H形桥式逆变器、PWM（脉宽调制）调速电路、换向控制电路及过流保护电路。PLC一方面通过RS232接口实现与上位机通信，同时向硬件电路输出控制要求，例如选择正反转控制、速度控制、开环／闭环、前馈／反馈等实验项目，此外还承担实时性要求较高的位置计算与控制。该系统可以实现正反转、PWM调速实验，转速与电流双闭环零启动及稳态加载实验，加／减速实验，开环增益与跟随误差、系统稳定性、伺服刚度关系实验，前馈补偿实验，PID参数对电机影响等实验项目。在实验过程中，不仅可以直观地看到直流电机的运动情况，同时通过软件界面还可以得到实测曲线，通过与给定值曲线比较，学生可以掌握伺服电机各控制参数对电机运动的影响，从而能更好地将伺服电机运用到机械行业中去。

图1 实验系统结构框图

2 系统硬件设计

图2为实验系统原理图，采用直流电机伺服系统，其控制是一个单输入、单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于该系统［5］。该电机伺服系统采用位置环、速度环、电流环三环结构，其中电流环、速度环采用PI调节，位置环伺服系统属于Ⅰ型系统，采用简单的比例调节器，可以保证系统运行的稳定性。开环控制方便进行开环增益与系统稳定性、跟随误差实验；双闭环控制可以获得接近于理想的电机启动过程，前馈补偿控制可以解决稳态位置跟踪误差对进给运动轨迹的影响。本文 PLC选用 S7－200系列 PLC［6－7］，电机选用三相无刷直流电机，其技术参数：额定电压24V，额定功率100W，额定转速1 000r／min，额定扭矩1Nm。

图2 数字伺服控制原理实验系统原理图

开环控制下，三相无刷直流电机驱动系统框图见图3，电机正反转及调速控制由该电路实现。驱动器转子位置传感器输出6个代码给换向逻辑控制电路，译码后去驱动电子换向器主回路（三相桥式逆变器）中6个开关管，同时PLC向换向逻辑控制电路输入正反转信号，换向逻辑控制电路接收到换向信号（该信号是一个逻辑信号）后，高电平时电机正转，低电平电机时反转。该电机的调速通过脉宽调制实现。由于任何情况下，换向控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率，系统中由PLC产生高频的PWM信号与换向控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起，只要调节PLC输出的PWM信号的占空比就可以调节电机的电枢电压，而直流电机的转速与电枢电压成正比［8］，从而实现电机调速。

图3 开环三相无刷直流电机驱动系统框图

在双闭环控制下电机的调速系统结构框图见图4。

图4 双闭环调速系统结构框图

双闭环情况下，通过PLC输出转速控制信号，PLC输出的U＊n为通过PLC给定转速信号，Un为实际转速信号，差值经过转速调节器（ASR）PI调节后输出电压控制信号，电压控制信号再与负载电压信号经过电流调节器（ACR）输出，给电机驱动器驱动电机转动。该系统中电流环、速度环都采用PI调节，因此可验证P、I参数对电机转速的影响。

在电机起动过程中转速调节器经历不饱和、饱和、退饱和3个阶段，在转速电流双闭环作用下，通过改变电流来改变3个阶段的转速从而获得理想启动过程。稳态运行突加负载时，电流变化，从而使电机转速改变，而在速度环作用下转速很快恢复到给定值，从而实现电机双闭环零启动及稳态加载。

位置控制采用数据输入方式，系统根据输入的位移、最大进给速度和加速度，形成位置和速度控制曲线。典型的位置伺服系统属于Ⅰ型系统，位置环开环增益影响系统的跟随误差、系统稳定性和伺服刚度，开环增益数值对伺服系统的电机有直接影响，选用不同的开环增益，系统直流电机展现不同动作，同时描绘曲线。

在闭环反馈控制的基础上，引入一个对外部输入信号进行多阶微分的顺馈补偿作为前馈补偿，把前馈控制和反馈控制相结合成为复合控制系统，其结构见图5。

图5 复合控制系统结构框图

3 系统软件设计

该系统采用计算机作为上位机，PLC作为下位机。上位机输出控制参数指令，同时根据下位机及传感器传输回的信号在屏幕上描绘曲线。下位机接收上位机的控制参数，并且输出相应的控制信号，从而实现不同实验，同时收集编码器、光栅尺信号，计算出当前位移，再计算出控制值作为给定值，实现反馈控制。

系统上位机软件在Windows XP系统下，采用面向对象［9－10］的 Visual C＋＋6.0［11－12］进行开发，软件界面见图6（左上为主界面，其余为不同实验的参数设置界面）。可以在软件中选择不同的实验项目，并设置不同的参数值，这些数值会自动传递给下位机，下位机编译并输出信号以控制电路工作，从而驱动电机工作，同时PLC采集编码器信号，反馈回上位机以实时描绘出曲线。

图6 上位机程序软件界面

系统下位机PLC接收上位机的信号，通过编译后，向硬件电路输出控制信号，同时接受编码器的信号，并传递给上位机。下位机程序流程图见图7。

4 实验结果

经过调试，系统工作正常，分别进行了伺服系统加／减速实验、双闭环启动与加载实验、PID参数对电机影响实验、开环增益与跟随误差实验、开环增益与系统刚性实验、前馈补偿实验，实验所得的曲线见图8。该实验系统允许设定不同的参数值，经过PLC转换成相应的控制信号驱动电机工作，数据采集卡实时采集的电流及位移信号反映在系统界面上，从而可以实时观测到各实验项目下不同参数下给定值与实际值对比效果，也可以展示出开环、闭环、反馈、前馈控制的不同之处，软硬件相结合，能更直观地展现伺服系统的工作原理。

图7 下位机程序流程图

图8 各实验曲线显示界面

5 结束语

本文利用PLC、数据采集卡、硬件电路及直流电机、丝杠、光栅尺以及Visual C＋＋6.0编程软件，研制了数字伺服原理实验系统。学生可以通过改变实验参数获得同种实验项目下各参数对伺服系统的影响，同时结合实物电机和丝杠、光栅尺，掌握伺服控制参数对数控机床的影响，为数控技术、数控机床的学习打基础。同时，此系统融合了开环控制、闭环控制以及前馈控制，通过比较分析，可以让学生了解各种控制模式的特点，为以后机床设计控制模式的选用打基础。

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