基于伺服电动机目标位置控制实验平台_刘志恒.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:基于伺服电动机目标位置控制实验平台刘志恒,郝 雷,李 敏,张 欣,张照彦,高月华(河北大学 电子信息工程学院,河北 保定;天津大学 光电信息技术教育部重点实验室,天津)摘 要:针对传统三闭环控制方法无法满足一些高性能位置伺服控制的问题,为提高伺服系统自动化和电气工程及其自动化专业的工程创新教学水平,自主设计和开发可验证、可评价的开放性实验项目。搭建了基于 的工艺对象驱动伺服电动机控制平台,采用博图软件对控制器和驱动器进行硬件组态,实现伺服电动机实时转速、转向、制动和定位等功能设置。以圆盘同步设备操作为例设计切纸机操作系统,指导学生完成牵引辊和横切刀的点动、回零、定位和
2、同步功能设置。以项目实施的形式进行实践教学,提高新工科背景下学生解决复杂工程问题的能力。关键词:伺服电动机;运动控制;组态;切纸机;实验教学中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:教育部产学合作协同育人 项目(,);中央引导地方科技发展资金项目();河北大学第九批教学改革研究与实践项目();河北大学 年实验室开放项目()作者简介:刘志恒(),男,河北保定人,博士,讲师,主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作。:;:,(,;,):,:;第 卷 引 言智能制造技术的推进代表着未来工程领域先进技术的发展方向。把智能制造技术以模块形式融入实践教学平台具有现实意义。通过优化智能
3、制造人才培养体系,针对智能制造复杂工程,通过搭建电动机位置伺服控制实验平台,对培养具有高级运动控制技术人才发挥重要作用。嵇正波等介绍了智能制造综合实训平台的建设思路。为提高自动化专业群与智能制造、人工智能、大数据等先进技术的关联性,加速推进制造过程智能化进程,建立基于智能制造的自动化类专业综合实践平台。徐飞等以工业自动化常用的电动机伺服系统作为控制对象,采用闭环阻尼和自然频率等作为关键可调参数,设计全参数化的伺服控制律,构建“自动化 数字化”为核心的智能制造实训平台。任志斌等提出一种目标位置调节的永磁同步电动机位置伺服控制方法,探索并构建电气控制与 多层次实践教学平台。庆鹏展等设计了基于 伺服
4、运动控制系统,搭建了智能制造单元系统集成应用实训平台。赵健等提出一种基于改进的滑模变结构控制和线性矩阵不等式双闭环控制策略,应用于高级运动控制平台。张志等设计了基于 控制、前馈控制和等价输入干扰估计的鲁棒抗扰控制策略,以满足永磁同步电动机位置伺服控制的高精度要求。孟凡仪等设计了一种双电动机滑模变结构协调控制方法,并证明了闭环系统的稳定性。陈珂等将分数阶指数趋近律应用于电动机的滑膜观测器,提高了电动机转子位置及转速估计的准确性。同志学等采用 和增量式 算法作为微处理器和控制算法,实现标定装置中步进电动机角度和速度控制。鲁杰等提出一种并网控制算法的电动机转子初始位置角检测方法,在定子并网过程中补偿
5、转子位置角,将满足并网条件下的补偿量作为转子位置初始角。庆衡衡等通过对多电动机驱动单元的集成和开发,实现机器人 位和 个转向的控制,可同步执行 自由度运动控制和空间位姿仿真。可见,许多学者对智能制造控制平台建设做了很多工作,并对关键控制和执行元件的运行性能进行了大量分析。对于搭建高级运功控制平台,在设计具有创新模式的工程项目方面研究很少。为进一步发挥伺服电动机高精度控制优势,以离散运动控制与智能制造环境中的伺服系统作为被控对象、伺服电动机作为驱动装置,采用点对点运动控制策略,实现被控对象快速、平稳、精准地进入预定位置。基于 以及 对象进行控制,采用 平台软件完成控制程序的编写、伺服系统的调试和
6、监控画面的组态等,搭建具有扩展功能的高级运动控制综合实训平台。设计了切纸机运动控制系统,基于伺服电动机的控制策略,实验结果验证了位置伺服系统点动、回零、同步和定位跟踪性能。运动控制系统组成高级运动控制的目的是通过对机械运动部件的位置、速度、加速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的轨迹和规定的运动参数完成动作。伺服电动机与圆盘之间存在减速比、反向间隙、机械误差等,伺服电动机上的编码器不能真实地反映出负载的位置信息,要提高位置控制精度,需要安装位移传感器,将信号直接反馈到运动控制器。运动控制器 具备高性能、开放性、集成信息安全、高效的工程组态、可靠的诊断、集成运动控制功能、创新型设计等优点,其运
7、动控制功能支持速度轴、位置轴、同步轴、外部编码器、测量输入、输出凸轮、凸轮轨迹和凸轮等运动系统,可完成从简单到复杂的运动控制任务。伺服驱动器伺服驱动器位于运动控制系统的中间环节,接收上位机控制器的指令(位置、速度或扭矩),输出电压和电流信号到伺服电动机,实现上位机运动指令,如图 所示。图 三环级联驱动器结构 位置指令输入为外部脉冲,其来自编码器脉冲信号经过偏差调整后的给定值;速度环的输入为位置环的输出,“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值做 调节;电流环的输入为速度环的输出、“电 第 期刘志恒,等:基于伺服电动机目标位置控制实验平台流环给定”和“电流环反馈”值进行比较后的差值进行 调
8、节后传输给电动机。伺服电动机的编码器将实时反馈当前电动机的状态信息给驱动器,通过闭环控制的方式实时地调整输出给电动机的位置和速度值,使被控电动机运动轨迹能够完全跟随上位机控制器发出的指令,实现高精度和高动态的系统定位功能。光电编码器和旋转变压器作为伺服电动机的位置传感器。位置给定控制如图 所示。伺服驱动器自身有电流环和速度环,位置需要从上层控制系统给定,基于 的 自带的 向驱动器发送位置设定值,位置控制器向速度控制器发送速度设定值,速度控制器向电流控制器发送电流设定值。图 位置给定控制示意 运动控制平台运动控制平台硬件由控制器、驱动器和被控对象组成。控制器采用 ,驱动器为,被控对象为圆盘、缠绕
9、等实物对象。编程电脑与 的、触摸屏通过以太网总线连接,硬件接线如图 所示,由于 和 的数据传输速率高,基本不存在延迟问题。图 高级运动控制平台整体网络结构 运动控制平台实物如图 所示,触摸屏右侧的拨码按钮可实现牵引辊和横切刀使能、正反向点动、回零启动、故障复位、同步启动等功能。圆盘同步设备参数见表。运动控制平台中的伺服电动机轴与圆盘连接,伺服电动机可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。电动机转子转速受输入信号控制,并能快速反图 高级运动控制平台(圆盘同步)表 运动控制平台圆盘机械参数序号部件名称参数数量牵引辊(小圆盘),横切刀(大圆盘),伺服电动机额定转速,()减速箱减速比应,可把所收到
10、的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电动机每旋转一个角度,编码器会发出对应数量的脉冲(单位为)与伺服电动机接收的脉冲形成闭环,通过参数调整能很精确地控制电动机的转动,实现精确的点动、回零、定位和同步,控制精度可以达到 。参数设置及硬件组态基于软件新建项目,选择路径并进行创建,通过在线访问功能为 分配 地址和设备名称,如图 所示。设置 的 地址:和子网掩码地址:,分配设备名称。第 卷图 设置 地址 添加控制器和驱动器,并完成项目的工程下载,如图、所示。参数的上传下载就是在驱动装置控制单元中的、卡()以及项目 个位置中进行。中记录了在线驱动设备的当前参数值。当装置掉电时,中的信息就会
11、永久性丢失。再上电后,装置自动将 中(卡)的数据存储到 中。()控制器组态()驱动器组态图 控制器和驱动器组态图 工程的上传下载 组态控制器的配置信息进行读取后,设置并调整驱动器参数,通过控制伺服电动机的转速及位置信息,基于圆盘刻度,对点动、回零、定位和同步功能的精确度进行识别。切纸机设计及测试以圆盘同步测试为例,验证运动控制平台的工程应用可靠性及准确度。控制平台设计了纸张横切机,包括 个重要的控制对象:牵引轴和横切刀。横切机每转过一圈切出一张纸,每分钟横切机切出的纸张数量为设备的生产速度,单位为张,纸张横切机如图 所示。图 纸张横切机工作示意 平台完成对纸张横切机的点动、回零、定位和同步操作
12、。平台上的 个同心圆盘独立运行,根据圆盘表面的时钟刻度,观察圆盘所处的角度,箭头处为圆盘的初始角度。小圆盘为牵引辊,大圆盘为横切刀。个圆盘通过减速箱连接到各自的伺服电动机。牵引辊及横切刀 处于最上方位置,为初始零位。点动和回零功能的速度位置控制在操作屏上组态“点动”界面如图 所示,通过操作屏上的按钮或拨码按钮对牵引辊和横切刀进行点动操作,在操作屏上监控伺服电动机的运行状态。操作屏上包含牵引辊、横切刀的速度设定、正转、反转按钮,可监控 台伺服电动机的正、反转状态和电动机的实际转速。图 点动界面示意 第 期刘志恒,等:基于伺服电动机目标位置控制实验平台 进行牵引辊使能,操作屏上设定的线速度实现圆盘
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