基于數字伺服控制原理實驗系統

何 俊，夏 斌

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

伺服控制系統（伺服單元）是具有位置、速度、或加速度閉環控制的機械系統［1］。隨著伺服控制技術的發展，伺服系統的應用幾乎遍及社會的各個領域，尤其是在機械制造行業中應用最廣［2］，各種機械加工設備和機械裝置的運動控制都離不開伺服控制技術。應用伺服控制可實現高精度、高速度、復雜的運動控制，例如數控機床和機器人手臂關節的運動控制等。由于在工業自動化生產過程中，只要涉及到被控設備精確地跟蹤給定參數，就需要用到伺服技術［3］，因此讓學生掌握伺服控制原理對以后機械產品設計、調試、故障診斷等非常必要。伺服控制原理理論知識比較復雜，對機械專業的學生來說是一門跨學科的知識，同時目前國內沒有較好的數字伺服實驗系統。為此本文設計一種將復雜的伺服控制理論轉化成電機實際動作和運動過程曲線的實驗系統。通過該系統，可以讓學生了解伺服控制原理，同時掌握伺服系統各參數對伺服電機的影響，從而借助該實驗系統的學習，掌握數控技術及伺服技術。

1 實驗系統簡介

該實驗系統的系統結構框圖見圖1。該系統由上位機PC、下位機PLC、控制電路、電機及驅動電路、絲杠光柵尺等組成。電機選用三相無刷直流電機［4］，電機驅動器內部包含電子換向主電路，即三相H形橋式逆變器、PWM（脈寬調制）調速電路、換向控制電路及過流保護電路。PLC一方面通過RS232接口實現與上位機通信，同時向硬件電路輸出控制要求，例如選擇正反轉控制、速度控制、開環／閉環、前饋／反饋等實驗項目，此外還承擔實時性要求較高的位置計算與控制。該系統可以實現正反轉、PWM調速實驗，轉速與電流雙閉環零啟動及穩態加載實驗，加／減速實驗，開環增益與跟隨誤差、系統穩定性、伺服剛度關系實驗，前饋補償實驗，PID參數對電機影響等實驗項目。在實驗過程中，不僅可以直觀地看到直流電機的運動情況，同時通過軟件界面還可以得到實測曲線，通過與給定值曲線比較，學生可以掌握伺服電機各控制參數對電機運動的影響，從而能更好地將伺服電機運用到機械行業中去。

圖1 實驗系統結構框圖

2 系統硬件設計

圖2為實驗系統原理圖，采用直流電機伺服系統，其控制是一個單輸入、單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用于該系統［5］。該電機伺服系統采用位置環、速度環、電流環三環結構，其中電流環、速度環采用PI調節，位置環伺服系統屬于Ⅰ型系統，采用簡單的比例調節器，可以保證系統運行的穩定性。開環控制方便進行開環增益與系統穩定性、跟隨誤差實驗；雙閉環控制可以獲得接近于理想的電機啟動過程，前饋補償控制可以解決穩態位置跟蹤誤差對進給運動軌跡的影響。本文 PLC選用 S7－200系列 PLC［6－7］，電機選用三相無刷直流電機，其技術參數：額定電壓24V，額定功率100W，額定轉速1 000r／min，額定扭矩1Nm。

圖2 數字伺服控制原理實驗系統原理圖

開環控制下，三相無刷直流電機驅動系統框圖見圖3，電機正反轉及調速控制由該電路實現。驅動器轉子位置傳感器輸出6個代碼給換向邏輯控制電路，譯碼后去驅動電子換向器主回路（三相橋式逆變器）中6個開關管，同時PLC向換向邏輯控制電路輸入正反轉信號，換向邏輯控制電路接收到換向信號（該信號是一個邏輯信號）后，高電平時電機正轉，低電平電機時反轉。該電機的調速通過脈寬調制實現。由于任何情況下，換向控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率，系統中由PLC產生高頻的PWM信號與換向控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起，只要調節PLC輸出的PWM信號的占空比就可以調節電機的電樞電壓，而直流電機的轉速與電樞電壓成正比［8］，從而實現電機調速。

圖3 開環三相無刷直流電機驅動系統框圖

在雙閉環控制下電機的調速系統結構框圖見圖4。

圖4 雙閉環調速系統結構框圖

雙閉環情況下，通過PLC輸出轉速控制信號，PLC輸出的U＊n為通過PLC給定轉速信號，Un為實際轉速信號，差值經過轉速調節器（ASR）PI調節后輸出電壓控制信號，電壓控制信號再與負載電壓信號經過電流調節器（ACR）輸出，給電機驅動器驅動電機轉動。該系統中電流環、速度環都采用PI調節，因此可驗證P、I參數對電機轉速的影響。

在電機起動過程中轉速調節器經歷不飽和、飽和、退飽和3個階段，在轉速電流雙閉環作用下，通過改變電流來改變3個階段的轉速從而獲得理想啟動過程。穩態運行突加負載時，電流變化，從而使電機轉速改變，而在速度環作用下轉速很快恢復到給定值，從而實現電機雙閉環零啟動及穩態加載。

位置控制采用數據輸入方式，系統根據輸入的位移、最大進給速度和加速度，形成位置和速度控制曲線。典型的位置伺服系統屬于Ⅰ型系統，位置環開環增益影響系統的跟隨誤差、系統穩定性和伺服剛度，開環增益數值對伺服系統的電機有直接影響，選用不同的開環增益，系統直流電機展現不同動作，同時描繪曲線。

在閉環反饋控制的基礎上，引入一個對外部輸入信號進行多階微分的順饋補償作為前饋補償，把前饋控制和反饋控制相結合成為復合控制系統，其結構見圖5。

圖5 復合控制系統結構框圖

3 系統軟件設計

該系統采用計算機作為上位機，PLC作為下位機。上位機輸出控制參數指令，同時根據下位機及傳感器傳輸回的信號在屏幕上描繪曲線。下位機接收上位機的控制參數，并且輸出相應的控制信號，從而實現不同實驗，同時收集編碼器、光柵尺信號，計算出當前位移，再計算出控制值作為給定值，實現反饋控制。

系統上位機軟件在Windows XP系統下，采用面向對象［9－10］的 Visual C＋＋6.0［11－12］進行開發，軟件界面見圖6（左上為主界面，其余為不同實驗的參數設置界面）。可以在軟件中選擇不同的實驗項目，并設置不同的參數值，這些數值會自動傳遞給下位機，下位機編譯并輸出信號以控制電路工作，從而驅動電機工作，同時PLC采集編碼器信號，反饋回上位機以實時描繪出曲線。

圖6 上位機程序軟件界面

系統下位機PLC接收上位機的信號，通過編譯后，向硬件電路輸出控制信號，同時接受編碼器的信號，并傳遞給上位機。下位機程序流程圖見圖7。

4 實驗結果

經過調試，系統工作正常，分別進行了伺服系統加／減速實驗、雙閉環啟動與加載實驗、PID參數對電機影響實驗、開環增益與跟隨誤差實驗、開環增益與系統剛性實驗、前饋補償實驗，實驗所得的曲線見圖8。該實驗系統允許設定不同的參數值，經過PLC轉換成相應的控制信號驅動電機工作，數據采集卡實時采集的電流及位移信號反映在系統界面上，從而可以實時觀測到各實驗項目下不同參數下給定值與實際值對比效果，也可以展示出開環、閉環、反饋、前饋控制的不同之處，軟硬件相結合，能更直觀地展現伺服系統的工作原理。

圖7 下位機程序流程圖

圖8 各實驗曲線顯示界面

5 結束語

本文利用PLC、數據采集卡、硬件電路及直流電機、絲杠、光柵尺以及Visual C＋＋6.0編程軟件，研制了數字伺服原理實驗系統。學生可以通過改變實驗參數獲得同種實驗項目下各參數對伺服系統的影響，同時結合實物電機和絲杠、光柵尺，掌握伺服控制參數對數控機床的影響，為數控技術、數控機床的學習打基礎。同時，此系統融合了開環控制、閉環控制以及前饋控制，通過比較分析，可以讓學生了解各種控制模式的特點，為以后機床設計控制模式的選用打基礎。

（

）

［1］李鐵才.伺服技術的運用發展［J］.伺服控制，2010（1）：32－36.

［2］崔鳳波.伺服技術的運用與發展趨勢［J］.機電設備，2007（4）：5－7.

［3］張云.淺述伺服技術在工業自動化中發展與應用［J］.伺服控制，2011（5）：21－23.

［4］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［5］Leonard E，Davis Jr.Microprocessor Control of DC motor drives［C］／／Industry Applications Society Annual meeting，1997：1782－1986.

［6］王莉，楊鵬.基于LabVIEW的虛擬示波器的設計與實現［J］.實驗室研究與探索，2010，29（1）：62－64.

［7］廖名鋒.基于S7－200PLC、ACS800系列PLC變頻器與Fame View組態軟件的化工溶液自動配制系統［J］.化工自動化及儀表，2011（38）：909－911.

［8］孫鐵成，劉策，韓景薇，等.基于多類型伺服的三軸數控機床進給伺服實驗平臺研制［J］.實驗技術與管理，2012，29（11）：58－62.

［9］鄭莉，董淵，張瑞豐.C＋＋語言程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［10］雷塞爾曼.實用Visual C＋＋6.0教程［M］.何健輝，董方鵬，馮毅，譯.北京：清華大學出版社，2000.

［11］Eckel B.Thin king in C＋＋［M］.［S I］：Prentice Hall Inc，2000.

［12］Savitch W.Programming Languages：concepts and cons tracts［M］.［S I］：Addison－Wesley Publishing Company，1999.