基于偏差耦合控制的电机同步控制实验研究

2018-03-07张若青胡俊霞

组合机床与自动化加工技术 2018年2期

张若青，胡俊霞

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)

0 引言

在数控机械加工设备中，执行电机的控制精度直接影响加工产品的质量。为了实现复杂曲线及曲面的加工，多轴数控机床逐渐发展起来，并成为数控加工行业研究的热点课题。随着设备中使用电机数目的增加，对各个电机之间运行速度、位移的要求与限制就会增加。比如伺服电机的同步控制，就是指系统中的各台电机根据要求将自身的运行状况与其它电机的运行状况维持某种关系不变，如使系统中所有电机的速度或位移保持相同、或位移维持一个不变的比例系数，或者保持一个固定的差值[1]。

从国内外多电机同步控制系统结构形式的研究可以看出，目前保持多电机的同步运转常用两种方法，机械方式与电方式。机械方式多指由一台大功率的主电机作为动力源头，通过机械轴、链条、齿轮等刚性联接来实现多轴同步传动。这种控制方式由于机械结构复杂，传动的距离和范围有限，并且机械的长期运转磨损使得整个系统的精度不断下降。电方式同步系统主要由控制器、驱动器及检测机构组成，这种同步控制系统釆用多台电机单独驱动的方式[2-3]，使各轴之间不再有机械连接，从而得到较高的控制精度和灵活性。电方式同步系统在信息化、数字化、自动化的今天，逐渐显示了其不可替代的地位。

实际上两种同步方式很难完全独立存在。虽然伺服电机采用驱动器单独控制，但是伺服电机与机械对象的联接往往和设计以及需求相关，很难避免相互之间的干扰。本文为提高单轴柔性冷弯成型机的单机组控制精度，分析了双电机的各种同步控制策略，提出了采用PID控制的偏差耦合策略来提高单机组轧辊同步控制精度的方法。

1 控制策略

1.1 同步控制

目前常用的电方式同步控制包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、以及偏差耦合控制[4-5]。

并行控制系统结构如图1所示，是指采用同一指令控制各个子系统，由于不对同步误差进行修正，故对于同步控制而言相当于开环控制，即当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间会产生同步偏差。这种同步系统结构简单，并且能在系统启动和停止阶段保持良好的同步性能，不同的被控对象不受距离和时间的限制，能够满足一定条件下的同步要求[6-7]。

主从控制系统结构图如图2所示。主电机的输出作为从电机的输入，使从电机精确地跟踪主电机。当主电机出现负载突变或速度跳变时，从电机可以随时跟踪主电机的变化，满足电机同步的需要。同样由于不反馈从电机信息，当从电机出现负载突变或速度跳变时，会造成两台电机的失同步，从而对多电机同步控制系统造成比较大的影响[8-9]。此控制系统有一定局限性，适用于主电机容易受到干扰，从电机不受干扰的情况并且这种结构很难获得良好的协调性能，因此，只适用于同步精度不高的工业生产中。

图1 并行控制结构图

图2 主从同步控制结构图

交叉耦合控制最初是由Koren在1980年提出的。其与交叉耦合同步控制策略相比，整个系统不再单独是电机控制系统的简单拼合，而是通过补偿器实现耦合。它主要特点是将两台电机的速度或者是位置信号进行比较，得到的差值作为附加的反馈信号馈送至系统控制的输入端，使系统就能够感知电机负载等量的变化，从而获得良好的同步控制精度。控制结构图如图3所示，需要说明的是这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情形[10]。

图3 交叉耦合控制结构图

2003年Perez-Pinal F等提出了偏差耦合控制。偏差耦合控制的主要思想是将某一台电机反馈的转速同其他电机反馈的转速分别作差，然后将得到的偏差相加作为该电机的转速补偿信号，由于偏差耦合同步控制策略把所有电机之间的偏差值作为补偿信号，将各个电机有机地联系在一起，任何一个电机出现转速波动或负载变化都能被其他电机跟随[11]。控制结构图如图4所示。可以看出，当同步系统中的电机数目为2时，偏差耦合控制等同于交叉耦合控制。耦合控制能够克服其他几种控制策略存在的缺点，实现很好的同步性能，因此本文采用耦合控制策略对双电机进行同步控制。

图4 偏差耦合结构控制图

1.2 基于PID参数调节的耦合控制

PID控制是将给定值与被控量构成的偏差信号，并将偏差信号通过比例、积分、微分运算后形成控制量，实现对被控对象的控制。由于PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性，而且算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富，被广泛应用于建材、冶金、伺服控制和电气控制等各个领域[10]。因而具有很强的生命力。此外，虽然理论上电机的电流、速度与位置信号均作为电机的状态信息可以参与实际的控制调节，但在实际中，各类电动机运动控制器所设定的控制模式中往往只有被控量参与控制，如最为常用的位置模式下，位置信号作为唯一参与控制调节的变量。本文采用耦合控制策略，利用两轴系统输出的位置信号，分别与输入信号构建跟踪偏差，与另一轴位置信号构建同步偏差，采用PID参数调节方式，形成如图5所示的基于PID的耦合控制方案。

图5 基于PID的耦合控制

值得注意的是，无论是跟踪误差还是同步误差，经PID参数计算后均作用于电机控制器，即电机的控制信号是跟踪误差与同步误差综合作用的结果，两者的权重不同决定了跟踪精度与同步精度。

2 实验系统

2.1 机械系统结构

本文的研究对象是单轴柔性冷弯成型机组中的变截面机组，其机械结构如图6所示。两个伺服电机经减速器后连接丝杠丝母机构，电机输出端的丝母通过辊系连接装置带动左侧上下成型辊在转轴上滑动实现轧辊的移动[12]。由图6可以知道，上、下成型辊经一块连接板连接为一体结构，因此当伺服电机带动丝杠转动时，可以实现上下成型辊的同步移动，同时由于两个伺服电机机械结构上的互联，实现单机组中两个伺服电机的同步运动控制就显得尤为重要。

图6 单道次机组结构图

2.2 控制系统

本系统采用NI 运动控制器控制伺服电机，构建了如图7所示的NI-PXI控制系统结构图。

图7 伺服电机控制系统结构图

图9 主程序程序框图

PXI控制器作为上位机，NI735x运动控制卡作为下位机的控制单元，通过接口板UMI7774与SGMAH伺服电机的伺服驱动器相连。伺服驱动器接受上位机发送的指令控制电机动作，同时也接受电机位置、电流等反馈信号，形成由伺服驱动器到伺服电机的闭环控制。其中NI735x运动控制卡是基于PXI总线的开放式运动控制卡，可以对2～8个电机实现协调控制，能够在不需要额外的数据采集卡等硬件的情况下实现高精度的电机运动控制。

系统采用LabVIEW软件平台实现对伺服电机的运动控制。LabVIEW是不同于传统文本编程语言的图形化编程语言，用流程图代替传统的程序代码，使程序变得更加直观，极大的简化了编程，提高了工作效率。LabVIEW语言分为前面板和程序框图两个部分，在程序框图中完成程序的编写与调试等功能，在前面板上设计合理的人机交互界面[13]。LabVIEW平台下形成的用于伺服电机控制的工具包，将电机的控制简化为对电机各功能参数的设置，使得编程速度与效率都得到提高。

3 实验设计

3.1 实验方案

本文采用空载测试并验证控制策略，然后应用于实际机组的实验思路。

首先采用两个SGMAH伺服电机，在空载状态下分别采用简单闭环的并行控制、跟踪误差PID控制、同步误差PID控制以及PID耦合控制4种控制方案。分别分析伺服电机的跟踪精度及同步精度。完成空载实验验证后，在单轴冷弯成型机上完成带载测试。

3.2 程序设计

本系统采用主控程序调用子程序的形式，上述4种控制策略形成4个子VI，程序的流程图如图8所示，程序框图如图9所示。由于4种控制策略的差异主要体现在位置指令的不同，大部分的参数设置基本相同，因此子程序中主要是数据采集显示与指令计算。程序前面板如图10所示，主要包括用户参数部分和机组状态显示部分，即电机的位置、速度及两电机跟踪误差、同步位置误差和速度误差，参数部分为不同控制策略中PID参数值。其中PID耦合控制的子VI的部分程序框图如图11所示，控制程序分为三个模块：PID模块、数据显示模块及数据采集模块。PID模块利用同步误差信号控制信号以提高控制精度。数据采集模块采集伺服电机的位置信息，并将采集的信号以.LVM格式存储，以利于之后调入MATLAB中进行数据分析。采用模块化的思想使得程序简单易懂，同时也大大增加了程序的运行效率。

图8 同步控制实验程序流程图

图10 子程序前面板

图11 PID耦合控制子VI部分程序框图

4 实验数据分析

将实验数据导入MATLAB中，分析简单闭环并行控制、跟踪误差PID调节、同步误差PID调节补偿以及PID耦合控制模式下各电机的跟踪精度及位置精度，各曲线如图12所示。本次实验采用的伺服电机编码器为213，相当于每脉冲0.17578°，为表达方便，后面以脉冲数来描述角位移。实验的输入信号为方波信号，幅度为4096个脉冲，相当于电机转动2圈720°。

(a) 简单闭环的并行控制

(b) 跟踪误差PID调节

(d) PID耦合控制

从图12a中可以看出,采用简单闭环的并行控制，两电机的跟踪误差分别为+100、-100；+150、-138，同步位置误差为±60。从图12b中可以看出,闭环中加入跟踪误差PID调节，两电机的跟踪误差及同步误差均有明显提高，分别为+58、-60；+82、-80，同步误差减少至+20、-30。从图12c中可以看出,若在闭环中只加入同步误差PID调节补偿控制，电机的跟踪精度和同步精度也都有明显所提高，两电机的跟踪误差分别为±42；+80、-75，同步误差为-12、+25。与跟踪误差PID调节相比，精度提高的不太明显，若合理调整PID参数，找到更加合适的参数相信电机的跟踪精度和同步精度还会有所提升。若将提出的PID偏差耦合策略应用到试验中，从图12d中可以看出，电机的精度得到明显提高，其两电机的跟踪精度分别达到+38、-25；+56、-42，同步误差达到+18、-20。

空载条件下双电机伺服控制系统验证了PID耦合策略的适用性和优越性。因此，将此控制策略应用到单轴冷弯成型控制系统。在冷弯成型机的柔性单机组中，简单闭环并行控制及PID耦合控制策略下的实验结果，如图13所示。