基于伺服電動機目標位置控制實驗平臺

劉志恒， 郝 雷， 李 敏， 張 欣， 張照彥， 高月華

（1.河北大學電子信息工程學院，河北保定 071002；2.天津大學光電信息技術教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引 言

智能制造技術的推進代表著未來工程領域先進技術的發(fā)展方向［1］。把智能制造技術以模塊形式融入實踐教學平臺具有現(xiàn)實意義［2］。通過優(yōu)化智能制造人才培養(yǎng)體系［3］，針對智能制造復雜工程，通過搭建電動機位置伺服控制實驗平臺，對培養(yǎng)具有高級運動控制技術人才發(fā)揮重要作用［4-5］。嵇正波等［6］介紹了智能制造綜合實訓平臺的建設思路。為提高自動化專業(yè)群與智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進技術的關聯(lián)性，加速推進制造過程智能化進程，建立基于智能制造的自動化類專業(yè)綜合實踐平臺［7-8］。徐飛等［9］以工業(yè)自動化常用的電動機伺服系統(tǒng)作為控制對象，采用閉環(huán)阻尼和自然頻率等作為關鍵可調參數(shù)，設計全參數(shù)化的伺服控制律，構建“自動化+數(shù)字化”為核心的智能制造實訓平臺［10］。任志斌等［11］提出一種目標位置調節(jié)的永磁同步電動機位置伺服控制方法，探索并構建電氣控制與PLC 多層次實踐教學平臺［12］。慶鵬展等［13］設計了基于EtherCAT 伺服運動控制系統(tǒng)，搭建了智能制造單元系統(tǒng)集成應用實訓平臺［14］。趙健等［15］提出一種基于改進的滑模變結構控制和線性矩陣不等式雙閉環(huán)控制策略，應用于高級運動控制平臺。張志等［16］設計了基于Backstepping 控制、前饋控制和等價輸入干擾估計的魯棒抗擾控制策略，以滿足永磁同步電動機位置伺服控制的高精度要求。孟凡儀等［17］設計了一種雙電動機滑模變結構協(xié)調控制方法，并證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。陳珂等［18］將分數(shù)階指數(shù)趨近律應用于電動機的滑膜觀測器，提高了電動機轉子位置及轉速估計的準確性。同志學等［19］采用STM32 和增量式PID算法作為微處理器和控制算法，實現(xiàn)標定裝置中步進電動機角度和速度控制。魯杰等［20］提出一種并網(wǎng)控制算法的電動機轉子初始位置角檢測方法，在定子并網(wǎng)過程中補償轉子位置角，將滿足并網(wǎng)條件下的補償量作為轉子位置初始角。慶衡衡等［21］通過對多電動機驅動單元的集成和開發(fā)，實現(xiàn)機器人3 位和2 個轉向的控制，可同步執(zhí)行5 自由度運動控制和空間位姿仿真。可見，許多學者對智能制造控制平臺建設做了很多工作，并對關鍵控制和執(zhí)行元件的運行性能進行了大量分析。對于搭建高級運功控制平臺，在設計具有創(chuàng)新模式的工程項目方面研究很少。

為進一步發(fā)揮伺服電動機高精度控制優(yōu)勢，以離散運動控制與智能制造環(huán)境中的伺服系統(tǒng)作為被控對象、伺服電動機作為驅動裝置，采用點對點運動控制策略，實現(xiàn)被控對象快速、平穩(wěn)、精準地進入預定位置。基于S120 以及S7-1500 對象進行控制，采用TIA Portal平臺軟件完成控制程序的編寫、伺服系統(tǒng)的調試和監(jiān)控畫面的組態(tài)等，搭建具有擴展功能的高級運動控制綜合實訓平臺。設計了切紙機運動控制系統(tǒng)，基于伺服電動機的控制策略，實驗結果驗證了位置伺服系統(tǒng)點動、回零、同步和定位跟蹤性能。

1 運動控制系統(tǒng)組成

高級運動控制的目的是通過對機械運動部件的位置、速度、加速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)完成動作。

伺服電動機與圓盤之間存在減速比、反向間隙、機械誤差等，伺服電動機上的編碼器不能真實地反映出負載的位置信息，要提高位置控制精度，需要安裝位移傳感器，將信號直接反饋到運動控制器。

1.1 運動控制器

SIMATIC S7-1500 PLC 具備高性能、開放性、集成信息安全、高效的工程組態(tài)、可靠的診斷、集成運動控制功能、創(chuàng)新型設計等優(yōu)點，其運動控制功能支持速度軸、位置軸、同步軸、外部編碼器、測量輸入、輸出凸輪、凸輪軌跡和凸輪等運動系統(tǒng)，可完成從簡單到復雜的運動控制任務。

1.2 伺服驅動器

伺服驅動器位于運動控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，接收上位機控制器的指令（位置、速度或扭矩），輸出電壓和電流信號到伺服電動機，實現(xiàn)上位機運動指令，如圖1 所示。

圖1 三環(huán)級聯(lián)驅動器結構

位置指令輸入為外部脈沖，其來自編碼器脈沖信號經(jīng)過偏差調整后的給定值；速度環(huán)的輸入為位置環(huán)的輸出，“速度設定”和“速度環(huán)反饋”值進行比較后的差值做PID調節(jié)；電流環(huán)的輸入為速度環(huán)的輸出、“電流環(huán)給定”和“電流環(huán)反饋”值進行比較后的差值進行PID調節(jié)后傳輸給電動機。伺服電動機的編碼器將實時反饋當前電動機的狀態(tài)信息給驅動器，通過閉環(huán)控制的方式實時地調整輸出給電動機的位置和速度值，使被控電動機運動軌跡能夠完全跟隨上位機控制器發(fā)出的指令，實現(xiàn)高精度和高動態(tài)的系統(tǒng)定位功能。

光電編碼器和旋轉變壓器作為伺服電動機的位置傳感器。位置給定控制如圖2 所示。伺服驅動器自身有電流環(huán)和速度環(huán)，位置需要從上層控制系統(tǒng)給定，基于S120 的CU自帶的Basic Positioner向驅動器發(fā)送位置設定值，位置控制器向速度控制器發(fā)送速度設定值，速度控制器向電流控制器發(fā)送電流設定值。

圖2 位置給定控制示意

1.3 運動控制平臺

運動控制平臺硬件由控制器、驅動器和被控對象組成。控制器采用S7-1516-3 PN/DP，驅動器為S120，被控對象為圓盤、纏繞等實物對象。編程電腦與PLC的CPU、S120、觸摸屏通過以太網(wǎng)總線連接，硬件接線如圖3 所示，由于PROFINET 和PROFIBUS 的數(shù)據(jù)傳輸速率高，基本不存在延遲問題。

運動控制平臺實物如圖4 所示，觸摸屏右側的撥碼按鈕可實現(xiàn)牽引輥和橫切刀使能、正反向點動、回零啟動、故障復位、同步啟動等功能。圓盤同步設備參數(shù)見表1。

表1 運動控制平臺圓盤機械參數(shù)

圖4 高級運動控制平臺（圓盤同步）

運動控制平臺中的伺服電動機軸與圓盤連接，伺服電動機可將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。電動機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電動機每旋轉一個角度，編碼器會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖（單位為LU）與伺服電動機接收的脈沖形成閉環(huán)，通過參數(shù)調整能很精確地控制電動機的轉動，實現(xiàn)精確的點動、回零、定位和同步，控制精度可以達到1 μm。

2 參數(shù)設置及硬件組態(tài)

基于軟件新建項目，選擇路徑并進行創(chuàng)建，通過在線訪問功能為PLC分配IP地址和設備名稱，如圖5 所示。設置PLC 的IP地址：192.168.0.1 和子網(wǎng)掩碼地址：255.255.255.0，分配設備名稱plc1516。

圖5 設置IP地址

添加控制器和驅動器，并完成項目的工程下載，如圖6、7 所示。參數(shù)的上傳下載就是在驅動裝置控制單元中的RAM、CF卡（ROM）以及項目3 個位置中進行。RAM中記錄了在線驅動設備的當前參數(shù)值。當裝置掉電時，RAM 中的信息就會永久性丟失。再上電后，裝置自動將ROM中（CF卡）的數(shù)據(jù)存儲到RAM中。

圖6 控制器和驅動器組態(tài)

圖7 工程的上傳下載

組態(tài)控制器的配置信息進行讀取后，設置并調整驅動器參數(shù)，通過控制伺服電動機的轉速及位置信息，基于圓盤刻度，對點動、回零、定位和同步功能的精確度進行識別。

3 切紙機設計及測試

以圓盤同步測試為例，驗證運動控制平臺的工程應用可靠性及準確度。控制平臺設計了紙張橫切機，包括2 個重要的控制對象：牽引軸和橫切刀。橫切機每轉過一圈切出一張紙，每分鐘橫切機切出的紙張數(shù)量為設備的生產(chǎn)速度，單位為張/min，紙張橫切機如圖8 所示。

圖8 紙張橫切機工作示意

平臺完成對紙張橫切機的點動、回零、定位和同步操作。平臺上的2 個同心圓盤獨立運行，根據(jù)圓盤表面的時鐘刻度，觀察圓盤所處的角度，箭頭處為圓盤的初始角度0°。小圓盤為牽引輥，大圓盤為橫切刀。2個圓盤通過減速箱連接到各自的伺服電動機。牽引輥及橫切刀0°處于最上方位置，為初始零位。

3.1 點動和回零功能的速度位置控制

在操作屏上組態(tài)“點動”界面如圖9 所示，通過操作屏上的按鈕或撥碼按鈕對牽引輥和橫切刀進行點動操作，在操作屏上監(jiān)控伺服電動機的運行狀態(tài)。操作屏上包含牽引輥、橫切刀的速度設定、正轉、反轉按鈕，可監(jiān)控2 臺伺服電動機的正、反轉狀態(tài)和電動機的實際轉速。

圖9 點動界面示意

進行牽引輥使能，操作屏上設定的線速度實現(xiàn)圓盤順時針或逆時針旋轉，同時操作屏上的正、反轉指示燈顯示綠色，并完成正、反轉操作按鈕組態(tài)及功能設置。同理，完成橫切刀相應設計。通過點動操作，實現(xiàn)牽引軸圓盤中箭頭位置指向最上方位置，點動位置誤差在3°以內。

組態(tài)“回零”界面如圖10 所示。在操作屏上設置回零位置偏差修正值，通過按鈕啟動回零操作，同時顯示軸回零狀態(tài)及軸當前的實際位置。

圖10 回零界面示意

完成牽引輥使能，在操作屏設置回零操作按鈕，點擊啟動回零后，觀察牽引輥箭頭位置，如果距離圓盤最上端有偏差，設置適當?shù)奈恢闷钚拚担匦聠踊亓悖瑺恳亪A盤中的箭頭處于最上方位置，軸回零狀態(tài)指示燈亮起，且當前實際位置應為0°。同理完成橫切刀相應設計。

3.2 定位和同步功能的運動控制

組態(tài)“定位”界面示意如圖11 所示，包括定位速度、目標位置設定；操作按鈕包括2 個單次相對定位、2個絕對定位和1 個連續(xù)相對定位；牽引輥和橫切刀的位置可實時顯示在輸出框。

圖11 定位界面示意

牽引輥定位使能，在觸摸屏設置按鈕“順時針轉動120°”和“逆時針轉動90°”，點擊按鈕牽引輥做相應轉動。在目標位置設定需要到達的位置，點擊“啟動絕對定位”，牽引輥運行到目標位置后停下。同理設置橫切刀設置，定位操作中設計“順時針轉動180°，等待2 s后逆時針轉動120°”按鈕，橫切刀按設定的速度完成2 個相對定位。響應快且穩(wěn)定性高。

組態(tài)“同步”界面示意如圖12 所示，設定和操作區(qū)域包括切紙機速度設定、切紙長度設定、機器啟停、升降速操作按鈕；狀態(tài)顯示區(qū)域包括當前設備的實際生產(chǎn)速度、牽引輥同步狀態(tài)和轉速、橫切刀同步狀態(tài)和轉速、切紙張數(shù)統(tǒng)計及復位按鈕等。基于切紙機工藝，根據(jù)具體工藝設計要求，實現(xiàn)牽引輥和橫切刀之間的運動控制關系。

圖12 同步界面示意

牽引輥和橫切刀的使能設置，觀察操作屏上牽引輥和橫切刀的同步狀態(tài)，兩燈同時亮起時，電動機啟動按鈕，切紙機運行，目標速度為最低生產(chǎn)速度，“升速”和“降速”按鈕用于控制切紙機的生產(chǎn)速度和變速節(jié)拍，“停止”按鈕用于控制切紙機的快速、減速、停止及降速節(jié)拍。

3.3 測試結果及分析

通過點動功能進行速度、位置控制，2 個點動信號源輸入，其分為速度控制和位置控制。配置點動設定值如圖13 所示，上半部分是速度值設定，下半部分是位置控制轉動的距離。0 為速度控制，1 為位置控制。

圖13 點動值設定示意

回零點是伺服控制系統(tǒng)中很重要的一環(huán)。回原點時直接尋找編碼器的Z 相信號，當有Z 相信號時，馬上減速停止。電動機先以第1 段高速去找原點開關，有原點開關信號時，電動機馬上以第2 段速度尋找電機的Z相信號，第1 個Z相信號即為原點擋塊上。如圖14 所示。

圖14 基于編碼器和參考點凸輪的回零示意

通過目標值與實際值之間的跟隨試驗和圓盤啟、停定位試驗，驗證本文伺服電動機的控制策略在位置伺服系統(tǒng)中的點動和回零跟蹤性能，如圖15、16 所示。

圖15 位置跟隨測試結果

由圖15 可見，根據(jù)實際值與目標值之間的波形曲線，圓盤同步的切紙機實現(xiàn)了很好的位置跟隨效果，圓盤之間定位誤差在±0.6 rad以內，顯示了較高的位置跟隨控制精度。

由圖16 可見，根據(jù)實際值與目標值之間的波形曲線，對2 個圓盤輸入不同的速度控制時，兩個圓盤之間定位誤差在0.1 mm 以內，顯示了較高的位置定位精度。

圖16 定位位置曲線

4 結 語

根據(jù)新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求，突出智能制造技術，設計伺服電動機運動控制實驗平臺，通過案例教學提升了電氣工程和自動化專業(yè)實驗教學的智能化。搭建的實驗教學平臺的先進性具體體現(xiàn)在：

（1）學生通過設計伺服電動機運動控制生產(chǎn)線邏輯程序，可實現(xiàn)運動控制平臺中圓盤同步、直線同步、物料卷繞和物料飛剪等操作，依據(jù)相關實例進行自主設計，為學生提供一個與實際生產(chǎn)線密切相關的操作平臺。

（2）基于伺服電動機運動控制平臺開展實驗教學，以切紙機為例開發(fā)了運動控制平臺圓盤同步點動、回零、定位和同步等智能制造實踐教學項目。實驗結果表明，運動控制平臺位置跟隨精度在±0.6 rad 以內，定位精度小于0.1 mm。驗證了實驗平臺具有較高的控制精度、系統(tǒng)響應速度及穩(wěn)定性。