黃 慶，黃守道，劉 竹，王 輝，潘 鑫，陳正茂

(1.湖南大學(xué)，湖南長沙410082;2.中國機械工業(yè)聯(lián)合會，北京100823;3.湖南省電力公司，湖南長沙410300)

0 引 言

伺服控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機械系統(tǒng)中關(guān)鍵的執(zhí)行部件，其性能的優(yōu)劣很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。新一代高性能的伺服系統(tǒng)大都采用永磁同步電機全數(shù)字伺服系統(tǒng)。永磁電機伺服系統(tǒng)在電子軸傳動印刷機器中的應(yīng)用是目前伺服系統(tǒng)的頂級應(yīng)用，電子軸傳動就是通過工業(yè)以太網(wǎng)控制多臺伺服電動機代替機械軸傳動，伺服控制器間由高速工業(yè)以太網(wǎng)總線連接，通過網(wǎng)絡(luò)控制軟件保證內(nèi)部的虛擬電子軸對伺服控制系統(tǒng)實時同步控制。電子軸傳動在印刷行業(yè)具有明顯的優(yōu)勢，也有較大的技術(shù)難度，因而是目前全球印刷企業(yè)的焦點［1］。

永磁交流伺服技術(shù)以及基于高速實時控制網(wǎng)絡(luò)的電子軸技術(shù)是研制先進(jìn)機電一體化設(shè)備，如工業(yè)機器人、數(shù)控機床、印刷設(shè)備等的核心技術(shù)之一，目前我國電子軸高性能交流永磁伺服系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口，這種狀況限制了我國高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。用于運動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)有CANopen、Profibus、PCI、Modbus、SERCOS 和 EtherCAT 等，將工業(yè)以太網(wǎng)用于運動控制的主要是SERCOS和Ether-CAT［2］。

本文針對我國高性能裝備共性配套需求，研究具有當(dāng)前國際水平的高性能、實用化和自主知識產(chǎn)權(quán)的電子軸傳動交流永磁伺服系統(tǒng)，為打破國外的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的行業(yè)壟斷打下了堅實的基礎(chǔ)。首先利用自主設(shè)計的印刷機械用的伺服電動機作為控制對象搭建實驗平臺，電機中安裝了高端絕對位置值編碼器，采用EtherCAT網(wǎng)絡(luò)作為多軸聯(lián)動的總線接口，針對實際需求，設(shè)計自主研發(fā)的控制器和驅(qū)動器，運用了自抗擾器作為控制策略。最后通過仿真和實驗的驗證，該伺服系統(tǒng)在控制電機的實際運行中滿足實際的要求。

1 基于EtherCAT高性能伺服系統(tǒng)

1.1 基于EtherCAT多軸聯(lián)動伺服系統(tǒng)組成

EtherCAT技術(shù)突破了所有傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線和其他的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的瓶頸，實時性能達(dá)到了新的性能高度。同時，其靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及更低的研發(fā)和使用成本，使其成為目前工業(yè)自動化新技術(shù)領(lǐng)域的熱點。EtherCAT是一種實時全雙工工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[3]，采用主從式結(jié)構(gòu)的高速現(xiàn)場總線。

根據(jù)實際需求，本文設(shè)計了基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的高實時性電子軸傳動伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。伺服網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由控制器和電子軸伺服驅(qū)動器建構(gòu)，能以一主多從模式實時傳輸控制指令和獲取電機狀態(tài)，從而實現(xiàn)多臺電機之間的電子軸實時同步協(xié)調(diào)控制［4］，上位機管理和組織整個控制系統(tǒng)有條不紊地工作，主要包括初始化、程序編譯、狀態(tài)監(jiān)測和顯示等功能，主站接收上位機給定的控制值，并將數(shù)據(jù)傳給從站的運動控制器，而從站控制器主要接收主站的數(shù)據(jù)或者命令，實現(xiàn)伺服電動機的位置控制，并將伺服電動機的狀態(tài)傳回給主站，以便上位機接收并顯示。

圖1 基于EtherCAT電子軸傳動伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于EtherCAT伺服系統(tǒng)的工作原理

圖2是基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的多軸伺服運動控制系統(tǒng)框圖。主站PC利用EtherCAT網(wǎng)絡(luò)周期性地給微處理器DSP發(fā)送電流、速度、位置等指令，從而控制伺服驅(qū)動設(shè)備，伺服設(shè)備的工作狀態(tài)信息由檢測機構(gòu)送回DSP，然后通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)告訴主站，使上位機能夠較好地了解伺服系統(tǒng)的運行狀態(tài)［4］。

圖2 伺服網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作原理

1.3 基于EtherCAT伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

本文設(shè)計PC機為主站，基于ET1100從站接口控制器和微處理器DSP芯片TMS320F2812為從站的一主多從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

由圖3可知，交流永磁同步伺服系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、變頻器和電機組成。由于交流永磁同步電機運行時轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，故在高精度、寬調(diào)速范圍伺服驅(qū)動中，伺服系統(tǒng)被控對象選用交流永磁同步電動機，控制系統(tǒng)一般由位置環(huán)構(gòu)成外環(huán)，而速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。

圖3 EtherCAT電子軸傳動伺服控制框圖

2 永磁同步電動機的自抗擾控制器

2.1 永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型

三相永磁同步伺服電動機的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了三相正弦波電流驅(qū)動的凸極式轉(zhuǎn)子永磁同步電動機(SPMSM)為被控對象，Ld=Lq，基于id=0矢量控制策略，可得PMSM的狀態(tài)方程［5］:

式中:ud是定子d軸電壓;uq是定子q軸電壓;id是定子d軸電流;iq是定子q軸電流;ψf是轉(zhuǎn)子磁鏈;Rf是定子繞線電阻;ω是轉(zhuǎn)子角頻率;Ld是定子d軸自感;Lq是定子q軸自感;Te是電機的電磁轉(zhuǎn)矩;J是電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;TL是電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩;p是電機的極對數(shù);B是電機的阻力系數(shù)［6-8］。

2.2 自抗擾控制器的數(shù)學(xué)模型

自抗擾控制器(以下簡稱ADRC)源于非線性PID控制技術(shù)發(fā)展而來的改進(jìn)型非線性控制技術(shù)［9］。它可施加控制力來抵消各種不確定外擾作用的影響，且依據(jù)非線性狀態(tài)反饋控制率提高系統(tǒng)的控制性能。自抗擾控制器一般由:跟蹤微分器TD、非線性狀態(tài)反饋NLSEF、擴張狀態(tài)觀測器ESO組成［10-11］。本設(shè)計中的二階ADRC離散系統(tǒng)可描述:

跟蹤微分器:

式中:θ*為給定的位置值;v1(t)為θ*位置值的跟蹤信號;v2(t)為v1(t)跟蹤信號的微分信號;h為采樣的步長即采樣時間;R為系統(tǒng)的速度因子，速度因子越大，跟蹤信號的速度就越快［5］。

非線性擴張狀態(tài)觀測器:

式中:θr是編碼器返回值;z1(t)是對θr位置的跟蹤值;z2(t)是對z1(t)跟蹤值的微分;z3(t)是對系統(tǒng)擾動的跟蹤;β01、β02和 β03是輸出誤差校正增益;ε1是誤差值;δ是系統(tǒng)的濾波因子;fal(·)是非線性狀態(tài)觀測器的最優(yōu)綜合控制函數(shù)［12］，fal(·)的函數(shù)式:

式中:a0、a1和a2為非線性因子;e0、e1和 e2分別為積分、誤差和微分信號;β0、β1和 β2分別為積分增益、誤差增益和微分增益;z3(t)+f0(z1，z2)為位置環(huán)a(t)的觀測值，且 f0(z1，z2)為系統(tǒng)已知部分;u(t)=Iq為電流給定值。圖4為ADRC位置伺服控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 ADRC位置控制器結(jié)構(gòu)圖

2.3 基于自抗擾控制器的位置環(huán)控制策略

圖5為基于二階自抗擾控制器的永磁同步電動機位置伺服系統(tǒng)圖。圖中PMSM位置伺服系統(tǒng)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，即位置環(huán)和電流環(huán)。外環(huán)采用了二階自抗擾控制器，結(jié)構(gòu)中包含了位置環(huán)和速度環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。

圖5 自抗擾控制的PMSM位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 仿真及實驗結(jié)果分析

為驗證在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)下，自抗擾控制器的永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制性能，本文利用MATLAB/Simulink對控制系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字仿真，在與實驗條件相同的條件下，以自主研發(fā)的EtherCAT變頻控制系統(tǒng)為核心實現(xiàn)了兩臺永磁同步電動機的電子軸聯(lián)動位置伺服。兩臺永磁同步電動機參數(shù)如表1所示。

表1 兩臺PMSM參數(shù)

給定位置按照0.01sin(4πt)［1-exp(-t3)］規(guī)律變化，同時負(fù)載按照27sin(4πt)［1-exp(-t3)］變化時，電機位置、轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)擾動仿真曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，對電機的位置跟蹤效果很好;在起動和穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速的跟蹤曲線都能滿足位置伺服系統(tǒng)的要求;自抗擾位置控制器能估測出系統(tǒng)的總擾動，其估測值與實測值基本吻合。

圖6 電機位置、速度和系統(tǒng)擾動仿真波形

多軸伺服運動控制系統(tǒng)，主站采用Windows xp系統(tǒng)的PC機，使用TwinCAT軟件，通信數(shù)據(jù)線采用100BASE-TX雙絞線運行。利用此控制系統(tǒng)對兩臺伺服電動機進(jìn)行控制，位置給定為正弦波，并在0.4 s時，給電機突加額定負(fù)載，圖7為兩臺電機通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的實時控制，伺服控制器采用自抗擾控制策略下，兩臺電機的位置以及速度實驗波形。由圖7可知，此控制系統(tǒng)位置響應(yīng)速度快，控制精度高，抗擾動性能強，具有良好的控制性能，且Ether-CAT網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)實時情況對位置進(jìn)行補償，位置的同步性能較好。

圖7 轉(zhuǎn)子位置與速度實驗波形

4 結(jié) 語

本文根據(jù)商業(yè)滾筒印刷機械實際需要，將自抗擾器應(yīng)用于EtherCAT高性能電子軸傳動PMSM位置伺服，采用了二階自抗擾控制器，提高了位置伺服系統(tǒng)的抗擾能力和位置控制精度，并利用非線性狀態(tài)觀測器對擾動的估計，實現(xiàn)了裝有海德漢絕對位置值編碼器伺服電機的網(wǎng)絡(luò)化實時控制。通過仿真與實驗的驗證，基于自抗擾控制器的PMSM位置伺服系統(tǒng)具有良好控制性能，此系統(tǒng)基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，由于采用的是位置控制的方式進(jìn)行，主機能夠根據(jù)參考從站的實時情況對其它從站進(jìn)行補償，所以位置的同步性能很好，不但實現(xiàn)了高性能的電子軸傳動，同時伺服電機對負(fù)載擾動具有較強的魯棒性。

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