臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制器10MC在音叉切割機(jī)上高階PID算法的應(yīng)用

       【摘要】在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。

1  前言

        晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。

         晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
        音叉多線切割機(jī)是用于替代多刀切割機(jī)加工晶振啟振音叉的設(shè)備。音叉多線切割機(jī)相對(duì)多刀切割機(jī)優(yōu)點(diǎn):1、加工效率高10倍；2、耗材低；3、精度高，無(wú)需進(jìn)行二次加工做研磨；4、經(jīng)濟(jì)效益高，一次可切割上千個(gè)音叉。由于普通指令無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，因此只有通過(guò)簡(jiǎn)單邏輯指令開發(fā)高階PID算法。

2  系統(tǒng)控制框圖及說(shuō)明
        設(shè)備框圖及工藝要求如圖1。

        音叉多線切割是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將晶體一次同時(shí)切割為數(shù)千片薄片的一種新型切割加工方法。因此該套設(shè)備的難點(diǎn)是收放線軸與主軸高速同步保持不斷線，并且保證恒定張力。高速同步保證是通過(guò)收放線張力伺服編碼器反饋輸出值與給定值差，通過(guò)高階PID算法調(diào)整收放線軸速度，從而保證恒定張力。

3  配置方案選型及程序
        該設(shè)備一共有八顆伺服，因此控制器選用臺(tái)達(dá)10MC總線運(yùn)動(dòng)控制器，如圖2所示。

        DVP10MC11T是臺(tái)達(dá)自主研發(fā)的基于CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它遵循CANopen DS301基本通訊協(xié)議和DSP402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，同時(shí)還支持大部分國(guó)際組織所定義的運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)，極大方便使用者快速入門，迅速的進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。
        DVP10MC11T 是一個(gè)多功能控制器，其內(nèi)部包含標(biāo)準(zhǔn)PLC 模塊和MC 運(yùn)動(dòng)控制模塊兩大功能模塊（如圖2）。PLC模塊與臺(tái)達(dá)其它DVP系列PLC功能相似，使用方法也相同，通過(guò)WPLSoft或ISPSoft 編程軟件，可以編寫梯形圖，順序功能圖，指令表等臺(tái)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的PLC 邏輯程序。PLC 模塊同時(shí)還支持左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)擴(kuò)展接口，左側(cè)為高速并行擴(kuò)展口，可以連接最多7臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線主站模塊（DeviceNet，CANopen主站等）、以太網(wǎng)模塊及高速模擬量模塊等，右側(cè)用來(lái)連接原DVP-S系列PLC的擴(kuò)展模塊（如低速模擬量及數(shù)字量模塊）。MC運(yùn)動(dòng)控制模塊主要通過(guò)CANopen總線，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精密的控制，以完成用戶所期望的速度控制、位置控制等功能。MC 運(yùn)動(dòng)控制模塊采用CANopenBuilder 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言以圖形化的方式提供用戶編寫運(yùn)動(dòng)控制功能，使用簡(jiǎn)潔，易于學(xué)習(xí)理解。
        10MC控制器是CANopen總線控制器，臺(tái)達(dá)A2-M伺服支持CANopen通訊。與10MC控制器配套選用。配線大大簡(jiǎn)化、控制更加精確，能夠滿足高端設(shè)備的應(yīng)用需求。

4  設(shè)置各個(gè)軸的軸參數(shù)

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

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圖4 各軸伺服參數(shù)

5  數(shù)學(xué)模型建立

5.1 PID控制系統(tǒng)
        連續(xù)一時(shí)間PID控制系統(tǒng)如圖所示。圖5中，D（s）為控制器。在PID控制系統(tǒng)中，D（s）完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y（t）和給定量r（t）之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)。

        圖中的比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u（t）稱為比例（Proportional），積分（Integrating），微分（Differentiation）控制，簡(jiǎn)稱PID控制。

5.2增量算法
        當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”。

圖8 程序圖

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3  離散化增量式PID算法的數(shù)據(jù)監(jiān)控

        根據(jù)PID算法模型，高速運(yùn)行時(shí)，收線放線伺服輸出偏差正負(fù)5轉(zhuǎn)以及張力擺動(dòng)扭矩正負(fù)1牛。同時(shí)監(jiān)視主軸、張力、放線伺服的波形如圖9、圖10和圖11。

圖11 放線伺服的波形圖

        通過(guò)監(jiān)視波形，在張力輪的角度發(fā)生偏差后，收放線速度能夠快速的進(jìn)行改變，保持張力輪穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)固定的位置。由此可知，離散增量式PID算法在這種快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)中是可行的。

6  結(jié)束語(yǔ)
        中達(dá)電通主要為中國(guó)最具成長(zhǎng)潛力的通信及自動(dòng)化市場(chǎng)提供設(shè)備和服務(wù)。其主要產(chǎn)品和服務(wù)包括視訊設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、寬帶數(shù)據(jù)和機(jī)電自動(dòng)化四個(gè)方面。中達(dá)電通的母公司為世界著名的電子制造跨國(guó)企業(yè)——臺(tái)達(dá)電子集團(tuán)，臺(tái)達(dá)集團(tuán)在江蘇吳江建有規(guī)模龐大的生產(chǎn)基地，是全球第一大電源管理系統(tǒng)供貨商和臺(tái)達(dá)變頻器、編碼器、人機(jī)界面、PLC、伺服、溫控器等機(jī)電產(chǎn)品的制造廠商。作為工控行業(yè)內(nèi)的知名廠商，尤其是在國(guó)內(nèi)唯一一家能將機(jī)電產(chǎn)品做的如此全面的制造廠家，我們通過(guò)應(yīng)用自己的產(chǎn)品能夠?yàn)楦餍懈鳂I(yè)的客戶提供全面的解決方案。 最佳的產(chǎn)品性價(jià)比、周到完善的全國(guó)乃至全球聯(lián)保服務(wù)能夠保證客戶利益。中達(dá)電通的服務(wù)體系遍布全國(guó)。
        經(jīng)過(guò)客戶各種崗位人員測(cè)試，此算法未出現(xiàn)任何沒(méi)有出現(xiàn)任何異常，滿足客戶各種操作要求以及傻瓜相機(jī)式的設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：
        應(yīng)院祥，男，出生于1985年12月，畢業(yè)于江西現(xiàn)代學(xué)院電子與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司應(yīng)用工程師。近幾年來(lái)一直從事運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的程序開發(fā)及營(yíng)銷推廣等工作，具有5年的多線切割機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及各種機(jī)型工藝。