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1、1交流位置伺服系统 PID控制方法实现丁锋（西安交通大学机电工程系） 屈明昌（西安工业学院机电系） 林廷圻（西宁铁路分局）摘 要：交流伺服系统在制造业控制领域得到广泛应用，分析了位置伺服系统的组成，主要介绍了数字位置环的 PID器改进控制算法以及参数整定方法。实际应用表明：选择合理的 PID参数能够满足控制系统响应速度快、速度精度高、鲁棒性强的要求。关键词：交流伺服控制；控制算法；PID 调节交流伺服系统在制造业控制中得到了更加广泛的应用，对控制的要求体现在响应速度快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好。随着计算机技术、电子技术、电机磁性材料的不断发展，交流伺服控制逐渐成为工厂自动化领域中运
2、动控制的主流1，有关各种新型控制算法不断涌现，如自适应控制、磁场定向控制及直接转矩控制、智能控制等。但是，传统的 PID控制方法以其实现的方便可靠性仍是其它控制算法的基础。一、系统组成原理系统的整体结构如图 1所示。该系统由四部分组成，即微机、伺服控制卡、交流伺服调速系统、传感检测。主控微机与控制卡相连，可以通过数据线发送位置或速度命令，设定 PID调节参数，并进行数模（D/A）转换，该模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机。电机轴端装有增量式光电码盘，通过光电码盘提供反馈信号（A、B、IN 脉冲）来完成位置伺服系统的位置反馈，组成一个半闭环系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上
3、，便于安装和避免机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影响。位置反馈环中传感元件增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以 A、B 相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC 机）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的 PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给伺服放大器，最终调节电机运动，完成期望值的定位。二、伺服控制方法工业控制中常用的方法是 PID调节器，尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了各种新型控制算法，如自适应控制、专家系统、智能控制等2。从理论分析，许多控制
4、策略都能实现良好的电机动静态特性，但是由于算法本身的复杂性，而且对系统进行模型辨识比较麻烦，因此，在实际系统中实现时困难，对于传统的 PID调节器而言，其最大的优点在于算法简单，参数易于整定，具有较强的2鲁棒性3，而且适应性强，可靠性高，这些特点使 PID控制器在工业控制领域得到广泛的应用。对于数控系统中的控制对象而言并不复杂，用 PID调节器更易实现预期效果。1、位置环 PID控制算法在数字 PID调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。为减小电机在运行
5、过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，采用积分分离 PID控制正当其时，当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位值时，再恢复积分校正环节，以便消除系统的稳态误差。积分分离 PID控制算法需设定积分分离阀 ，当|e(k)| 时，即偏差值较大时，采用 PD控制，减少超调量，使系统有较快响应；当|e(k)| 时，即偏差值比较小时，采用 PID控制，以保证伺服电机位置控制精度。离散化 PID控制算式为：其中，k 为采样序号，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd 分别表示比例、积分、微分系数。在实际中，若执行机构需要的是控制量的增量，根据递堆原理可得增量式 PID控制算式为：2、位置环控制算法流程图 2
6、所示为控制算法流程图。33、控制系统参数的整定主控微机向控制卡发送 PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定 Kp、Ki、Kd 及采样周期 T，比例系数 Kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分系数 Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；微分控制可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法，以及归一参数整定方法。这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯（Ziegler-Nichols 规则）4，通常可认为交流伺服系统的模型为一阶带有延迟环节的模型（带滞
7、后的一阶环节）：式中的一阶响应特征参数 K、L 和 T可以由图 3所示的 S型响应曲线提取出来。求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统进行阶跃输入激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。于是可由 Ziegler-Nichols整定规则得到：4数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。一方面要满足香农定理，即 s2max，实际系统输入及反馈的最大频率 max 难以测定，另一方面采样周期并没有一个精确的计算公式，只能根据工程应用按经验规则选取，对于机电控制系统，要求较短采样周期，通常为几十毫秒。三、结论对于交流位置伺服控制系统而言，采用基于 PC机的开发平台，用常规的 PID调节器进行控制，只要参数整定适当，加之系统的机械精度（运动轴、齿轮、电机丝杠传动化）控制在一定误差范围内，电气控制精度（编码器脉冲）就可得到提高，鲁棒性强，可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。
