伺服系統(tǒng)組成
硬件
伺服系統(tǒng)由電源模塊、中央控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊和伺服電機(jī)組成。選用分辨率為96000p/r的正弦增量編碼器。
中央控制模塊將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于中央處理器中，它是伺服系統(tǒng)的核心，通過RS485口與上位機(jī)通訊；通過伺服系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)線進(jìn)行模塊間的數(shù)字通信。
驅(qū)動(dòng)模塊對電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，它與伺服電機(jī)一起構(gòu)成了具有自動(dòng)控制調(diào)節(jié)功能、高轉(zhuǎn)矩特性和同步跟蹤性能的執(zhí)行單元。模塊內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器配有開關(guān)頻率很高的功率半導(dǎo)體器件（IGBT），控制器卡內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)循環(huán)計(jì)算每個(gè)指定相位的瞬時(shí)電流值，相位的實(shí)際電流值代表轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定時(shí)，被觸發(fā)的IGBT與來自電機(jī)繞組電流呈正弦曲線的8kHz的基礎(chǔ)時(shí)鐘同步。
軸編碼器是系統(tǒng)的位置檢測組件，其輸入/輸出傳動(dòng)信號(hào)決定電機(jī)與電機(jī)編碼器間的傳動(dòng)信號(hào)比，比值結(jié)果必須為整數(shù)，且設(shè)定值與電機(jī)控制器運(yùn)算法則相適應(yīng)。利用編碼器獲得實(shí)際位置值，激活實(shí)際位置反饋，即編碼器檢測到電機(jī)的實(shí)際脈沖數(shù)經(jīng)4倍頻后產(chǎn)生反饋脈沖，它直接影響運(yùn)行模式的閉環(huán)控制。它將各電機(jī)輸出軸的位置轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制碼，送給驅(qū)動(dòng)模塊。
伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，輸出額定轉(zhuǎn)矩；達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出恒功率，實(shí)現(xiàn)功率、輸出轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)要求的統(tǒng)一。
軟件
伺服系統(tǒng)軟件采用PID算法編制實(shí)時(shí)控制程序，設(shè)置驅(qū)動(dòng)器所需的轉(zhuǎn)距、速度、位置值，由程序功能塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；通過表插補(bǔ)的快速功能產(chǎn)生多軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)。
設(shè)備加電后，中央控制模塊完成初始化。發(fā)出信號(hào)跟蹤命令后，即開始定時(shí)，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，上位機(jī)向伺服系統(tǒng)發(fā)送輸入信號(hào)，伺服系統(tǒng)接收上位機(jī)返回的系統(tǒng)輸出量和控制量，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作后，將采集到的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)、當(dāng)前的控制量和各狀態(tài)信息送至上位機(jī)。程序的參數(shù)可調(diào)，加/減速時(shí)間、最小/最大速度值等參數(shù)都需根據(jù)現(xiàn)場要求進(jìn)行設(shè)定。調(diào)試時(shí)根據(jù)典型的PID調(diào)節(jié)原理進(jìn)行各參數(shù)的整定，主要兼顧到系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)特性和位置調(diào)節(jié)特性中超調(diào)量、快速性和穩(wěn)定性等要素。
基本工作原理
系統(tǒng)以各交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，以機(jī)械位置或角度作為被控制對象，電機(jī)速度和位置的實(shí)際值來源于編碼器信號(hào)。
同步控制的乘法器脈沖和除法器脈沖構(gòu)成主設(shè)置值與被控對象之間的同步比率（SVH），即本系統(tǒng)的電子齒輪比。根據(jù)整機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況和成品煙支的規(guī)格要求，控制電機(jī)的參考信號(hào)和程序中指令的參考信號(hào)一致，位置要求嚴(yán)密的電機(jī)，在每次起動(dòng)之前，必須先回零?；亓憬Y(jié)束后，延時(shí)7s左右；然后，再跟蹤主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
卷煙機(jī)在生產(chǎn)過程中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)序及電控系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)之間的同步，需要有一個(gè)參照基準(zhǔn)，即卷煙機(jī)的時(shí)鐘脈沖。
軸編碼器隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比、與電機(jī)軸角位移增量等值的電脈沖，輸出兩路900相差的脈沖信號(hào)Ua1,Ua2 和一路用作參考零位的標(biāo)志脈沖 Ua0。編碼器的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成積分和參考的兩路方波信號(hào)；輸出方波給外部CNC提供實(shí)際位置反饋信號(hào)，或者作為同步控制系統(tǒng)中獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主控制脈沖。該正交編碼脈沖通過四倍頻電路產(chǎn)生四倍頻脈沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)電路對其計(jì)數(shù)，獲得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置的瞬時(shí)值。電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度和定位由同一傳感器來檢測，因而在同一轉(zhuǎn)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的位置檢測和旋轉(zhuǎn)次數(shù)的檢測，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的控制，并將計(jì)數(shù)脈沖送入位置控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。
控制原理
模擬量輸入信號(hào)
交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三種指令形式，即脈沖指令，速度指令，轉(zhuǎn)矩指令。結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，采用模擬量脈沖指令的形式對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加以控制，見圖1。
圖1 驅(qū)動(dòng)模塊的模擬量輸入
驅(qū)動(dòng)模塊中，設(shè)置2個(gè)10V的模擬量輸入（A1，A2），通過電壓/頻率變換來確定輸出脈沖的值，輸出頻率可控且范圍取決于系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖。模擬值A(chǔ)1作為輸入速度或扭矩的設(shè)置值，通過改變模擬電壓A2的值去改變扭矩極限。微處理器每250μs執(zhí)行一個(gè)循環(huán)。計(jì)數(shù)或脈沖的設(shè)定值通過中央控制模塊輸入，再由內(nèi)部的信號(hào)線分配給每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小依賴于A1的輸入電壓值。由速度偏移量來補(bǔ)償模擬輸入值的浮動(dòng)值，得到與模擬輸入相應(yīng)的恒定速度值。但持久地補(bǔ)償至零速度是不可能的。
轉(zhuǎn)矩控制和速度控制
驅(qū)動(dòng)器將收到的連續(xù)變化的速度指令信號(hào)與實(shí)際速度反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生差值；速度控制器將差值放大，并求出輸出量，該信號(hào)與實(shí)際位置進(jìn)行比較，經(jīng)處理后，作為脈寬調(diào)制發(fā)生器的調(diào)制信號(hào)，同時(shí)在基波的作用下生成脈寬可調(diào)的脈沖序列開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)定子電樞電流的相位控制和幅度調(diào)節(jié)。另外，開關(guān)信號(hào)加至大功率器件的驅(qū)動(dòng)器后，功率器件按一定順序依次導(dǎo)通，輸出脈寬可調(diào)的交變電壓，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。在速度控制器和電流調(diào)節(jié)器的連續(xù)作用下，定子電樞電流的幅度和頻率因此得到了連續(xù)控制，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。
扭距的模擬設(shè)定及控制分析
通過模擬輸入A2定義扭矩的范圍。為抵消共振的影響，選用訪諧振（帶阻）濾波器。為減小濾波器本身的高頻增益，用一個(gè)輕阻尼的帶阻濾波器（其中心頻率約為共振頻率的90%）和一個(gè)大阻尼的帶通濾波器（其頻率要高于共振頻率），見圖2。濾波器連續(xù)地協(xié)議速度控制器的輸出，其參數(shù)均可根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的改變而在線調(diào)節(jié)和修改。速度控制或閉環(huán)位置控制時(shí)，設(shè)置對應(yīng)參數(shù)的bit 7=1時(shí)，濾波器F1，F(xiàn)2被激活。其中，Nset為設(shè)定速度，Nact為實(shí)際速度；f1=1/（2πT1），f2=1/（2πT2）；f1＜f2。從f1的6dB/倍頻和f2的12dB/倍頻起，伺服控制系統(tǒng)的環(huán)路增益減弱。
圖2 抵消共振的結(jié)構(gòu)
位置控制
位置控制器控制電機(jī)的加減速。位置控制系統(tǒng)接收主控系統(tǒng)發(fā)出的與電機(jī)轉(zhuǎn)速等值的連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，并根據(jù)反饋的位置信息，采用PID調(diào)節(jié)原理進(jìn)行計(jì)算。
機(jī)械位置調(diào)整適當(dāng)后，通過程序?qū)⒃撐恢盟鶎?yīng)的脈沖數(shù)保存到位置控制器中。斷電時(shí)，無論與主傳動(dòng)部件的相對位置是否改變，控制器所記憶的位置數(shù)據(jù)不會(huì)改變。再次上電時(shí)，位置控制器在機(jī)器最初轉(zhuǎn)動(dòng)的幾圈內(nèi)尋找所記憶的位置，一旦電機(jī)尋找到自己的位置就停下來，以便同主傳動(dòng)部件再次轉(zhuǎn)過同步位置時(shí)一起運(yùn)動(dòng)。
閉環(huán)位置跟蹤的方法：
l 將位置極限設(shè)置成二進(jìn)輸出,監(jiān)控軸轉(zhuǎn)動(dòng)的正反方向，賦值前，先執(zhí)行回零動(dòng)作；它并不阻止軸的運(yùn)轉(zhuǎn)。超過極限時(shí)，由輔助位來控制軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
l 調(diào)整額外誤差。如果位置的設(shè)定值和實(shí)際值的差額（跟蹤誤差）比內(nèi)部的“額外誤差”大，驅(qū)動(dòng)器的輸出使能停止，電機(jī)按其自身的慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。最大跟蹤誤差（線性軸）SA：
SA[mm>=最大速度[mm/min>/位置閉環(huán)KV[1/min>
然后，通過“每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離”與“編碼器增量”，將跟蹤誤差從[mm>轉(zhuǎn)換成[incr.>.在位置控制環(huán)中，電機(jī)參數(shù)的設(shè)置根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際要求而定，使輸出軸的實(shí)際位置精確。
優(yōu)化控制重要參數(shù)分析
根據(jù)電機(jī)型號(hào)和負(fù)載慣量，調(diào)整內(nèi)部速度環(huán)增益和積分時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)控制，滿足調(diào)速系統(tǒng)速動(dòng)性要求[1>。圖3中，nset為設(shè)定速度，nact為實(shí)際速度
圖3 速度階躍響應(yīng)
l 速度環(huán)比例增益KP因素
速度控制的階躍響應(yīng)，KP影響如圖3示。
在生產(chǎn)線上操作調(diào)試時(shí)，伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩和噪聲，即不能在負(fù)載調(diào)試下獲得最合適的響應(yīng)和穩(wěn)定性，此時(shí)需要進(jìn)行基本增益調(diào)整。設(shè)置值大時(shí)，伺服系統(tǒng)剛性變高，負(fù)載的變化對電機(jī)速度的影響小，但過大會(huì)引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定[2>，所以，必須使KP最優(yōu)化。設(shè)置速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)為較小值，其值越小，位置偏差值相減越快；設(shè)置位置環(huán)增益參數(shù)，將速度前饋系數(shù)設(shè)置為最小。
l 速度環(huán)積分時(shí)間TN （ms/4）
調(diào)試時(shí)必須使PI速度控制器的積分作用時(shí)間最優(yōu)化。TN=0時(shí)， PI速度控制器的積分成分不起作用，它作為P型控制器而工作。因調(diào)整狀態(tài)隨負(fù)載變化而變化，所以盡可能在實(shí)際負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行。在調(diào)整時(shí)，加入階躍速度指令，用示波器觀測其速度響應(yīng)，同時(shí)注意機(jī)械部分的振動(dòng)情況。對于速度階躍響應(yīng)，TN影響如圖4示。
圖4 階躍響應(yīng)的TN影響
l 在設(shè)定的速度范圍內(nèi)，速度控制器的KP和TN呈線性變化，即控制器動(dòng)作的變化依賴于實(shí)際速度值。調(diào)試時(shí)，使速度控制器的比例增益與積分作用時(shí)間最優(yōu)化。
增益調(diào)整
l 位置環(huán)增益的最優(yōu)值依負(fù)載而定，若負(fù)載變化，需重新調(diào)整。若增益設(shè)置值過大，會(huì)引起振蕩，這時(shí)應(yīng)減小設(shè)置值從而停止振蕩。若不能停止振蕩，則關(guān)掉電源和伺服使能信號(hào)，然后再開啟電源將增益恢復(fù)到較小的值[3>。
l 若采用驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)而外加位置環(huán)單元，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益會(huì)由于速度指令輸入增益參數(shù)的改變而改變。
結(jié)語
利用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的角度和速度的完全（或比例）同步（隨動(dòng)跟蹤）等各種復(fù)雜的控制任務(wù)，完成煙條的無偏差精確定位，有效避免長短煙的出現(xiàn)，避免由于傳動(dòng)系統(tǒng)速度波動(dòng)而造成的煙支空頭等問題，達(dá)到了控制系統(tǒng)改進(jìn)的目的。
（轉(zhuǎn)載）
