直流伺服電機控制系統的設計

□陳希平 張 翔

一、引言

直流與交流電機的問世推動了整個電力電子行業的發展，而數字化是伺服系統發展的重要標志，但目前國內外大多的伺服系統還是被國外所占據，尤其是日本德國等，國內機構需加快研發速度，以滿足國內市場的巨大需求。

結構和機電一體化是現在的趨勢，基于伺服系統的平縫機具有準確的定位，速度調節性與穩定性更強的特點，可以大大提高產品的生產效率與質量。此外此系統還可以用于自動門、機床、注塑機、加工、木工、包裝、印刷等控制行業，用途廣泛，滿足了一些工業場合要求抗干擾能力強，啟動快，停針準確，負載能力強，工作頻率大等苛刻要求。

二、系統方案設計

(一)方案概述。系統由控制電路、主電路和檢測電路組成。主電路又由伺服電機和驅動電路、整流逆變單元、隔離放大電路、保護電路組成。控制電路由DSP 及其外圍芯片構成。檢測電路有電流檢測、速度檢測和位置檢測。DSP 微處理器對速度、電流、位置信息的采集從而實現對電機速度平穩的調節。

圖1 總體結構框圖

圖2

(二)電路設計。

1．驅動電路。為了保證DSP 可靠工作，將小功率和大功率直接隔離與匹配，采用IR2136 來驅動大功率器件IGBT 來實現三相全橋逆變。通過功率器件和DSP 之間的隔離，避免DSP 的運行受到干擾，加強了整個伺服系統的穩定性。

2．編碼器。使用光電式位置傳感器。光柵將光線分成束光，當發射器和檢測器之間的編碼輪移動時，光束通過的空間和棒上的碼盤的圖案被中斷。用以檢測這些中斷的光電二極管被布置在對應于所述編碼輪的半徑和計數密度的另一側。這些探測器也有序間隔開，使得一對檢測器交替處于光亮期與黑暗期的狀態。光電編碼器接收極接收后可以輸出兩路正交信號，通過測量兩個正交信號可以計算出準確的電機轉速，并能根據相位判斷電機的旋轉方向。

圖3

3．腳踏板。電機的啟動、調速等功能通過腳踏板來直接控制，由線性霍爾加上濾波電路組成。AH3503 是一個小的、通用的線性霍爾效應裝置，可在永磁鐵或電磁鐵的磁場中可靠工作。根據踩腳踏板的深淺則可以控制輸出的電壓的大小，最后通過采集AD 信號從而反饋速度的大小。

三、控制程序設計

(一)總體算法設計。控制軟件主要通過以腳踏板，鍵盤作為輸入設備，操作整個控制系統的工作模式和運行狀態等。由于平縫機伺服系統是一個典型的實時系統，其控制軟件就需要具備高實時響應性和可靠性，所以按照模塊化的方式進行設計，這樣不僅可以提高工作效率，并保證軟件的易修改性和可移植性。具體程序框圖見圖4。

(二)增量式PID 調速算法。實際運用中，為了簡便計算，常采用增量式PID 算法。(圖4)

△u(k)=Kp△e(k)+Ki△e(k)+Kd［△e(k)+△e(k-1)］

當各項比例系數(Kp、Ki、Kd)確定之后，DSP 便能計算出占空比的增量△u(k)，由于輸出的為簡單的增量，誤動作的可能性偏小，算式無需疊加，這樣便可以通過加權處理而獲得較好的控制效果。

但增量式PID 調節的截斷效應大，靜態誤差也相對較大。工業平縫機的運動帶有機械慣性，而且停啟動頻繁，必須對數字PID 算法進行調節。

改進后使用根據速度偏差量自動調節加權系數的分段式調節。

圖4

四、實驗數據分析

(一)速度數據分析。根據項目技術指標，要求啟動至轉速穩定的過程快速。達到指定速度需求后速度穩定，精準速度范圍的偏差不應大于5%，高速范圍速度偏差允許適當增大。獲取測試數據見表1。

表1 轉速調節控制測試數據

根據上表測試數據表明，本系統啟動至穩定的響應迅速，在中高轉速段的轉速偏量依然在需求范圍內，能使系統持續工作在一個較好的狀態。

(二)停針測試數據分析。影響停針精度的關鍵是低速時電機轉速的穩定，從高速下降至低速(約200r/min)范圍內，電機能在此穩定運行，并且保持較好的位置環控制。

表2 不同轉速下停針誤差

經測試表明，該系統從高速狀態下緩沖至低速狀態所需時間短，降速后保持低速狀態穩定，并且停針位置準確，達到預期要求。

五、結語

本系統由高精度直流伺服電機控制，采用分段式PI 調節以實現高低速穩定控制，并利用能耗制動及反接制動的方式來控制電機的精準定位。經過實踐測試，該伺服系統滿足工業縫紉機速度穩定、停針精確的基本要求，并在平縫機的應用上有很大的優勢，如響應速度快，調速范圍寬，定位精度高，運行穩定等指標，擁有良好的控制效果。

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