CN107065943B - 一种直驱转台位置控制系统及控制方法 - Google Patents
一种直驱转台位置控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种直驱转台位置控制系统及控制方法，所述的控制系统包括控制器、电机驱动器、直驱电机、位置传感器和转台；控制器完成转台的位置控制，并将速度指令通过与电机驱动器之间的现场总线接口传输给电机驱动器，完成直驱电机的速度控制；直驱电机输出轴的一端与转台转轴相连，带动转台转动。通过采样直驱电机带动转台转动，去除了机械减速箱的齿轮传动可以实现对转台的高精度位置控制，本发明通过误差分段控制和最后定位阶段的积分器积分起点值控制，达到有效控制大范围角度定位时超调量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种直驱转台位置控制系统及控制方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
PID算法控制结构简单,鲁棒性强，因此在工程实践中得到广泛应用。相比较模拟PID调节器,数字化PID调节器具有更大的灵活性。
基于PID调节器的控制系统中由于积分器的存在，控制量的超调往往是不可回避的问题，在位置控制系统中，受到速度最大值限定的非线性因素影响，当位置控制系统大范围调转时，位置超调量的绝对值较大，不仅使系统稳定性下降的主要原因，也使定位控制动态过程加长。
在数字PID中，可以较为方便控制积分的值，进而减小或消除因积分器的存在导致的超调。
发明内容
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种直驱转台位置控制系统及控制方法。
为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种直驱转台位置控制系统，包括控制器、电机驱动器、直驱电机、位置传感器和转台；控制器完成转台的位置控制，并将速度指令通过与电机驱动器之间的现场总线接口传输给电机驱动器，完成直驱电机的速度控制；直驱电机输出轴的一端与转台转轴相连，带动转台转动；直驱电机输出轴的另一端与位置传感器相连，实现直驱电机的位置检测，位置传感器检测的直驱电机轴位置信息通过与控制器之间的位置传感器接口传输给控制器。
所述的控制器包括处理器、现场总线接口、上位机接口和位置传感器接口；所述的处理器通过上位机接口接收位置给定(位置控制目标指令)，通过位置传感器接口接收转台位置反馈(实际位置信息)，在处理器中完成位置控制算法，并通过现场总线接口将速度指令输出到电机驱动器；所述的处理器为DSP或ARM或PLC，可根据实际情况具体选择。
所述的处理器中的位置控制算法包括位置给定、位置反馈、u(k)函数、u(k-1)函数、速度指令约束函数和速度指令。比例积分调节器的函数如式(1)：
其中：Kp-比例系数；
Ki–积分系数；
u(k)-第k次采样时刻比例积分调节器输出；
e(k)-第k次采样位置误差；
式(1)中为第k次采样后所有位置误差的和与积分系数的乘积，即为比例积分调节器的积分器，在误差方向没有改变的情况下，积分器值符号不会改变，这是比例积分调节器控制时必然产生超调的原因，尤其是在大范围定位控制中超调量的绝对值较大。
为实现减小大范围位置定位时的超调量，本发明u(k)函数采用式(2)函数代替式(1)中u(k)函数：
e(k)、e(k-1)分别为本次采样周期位置误差(即第k次采样误差)和上次采样周期位置误差(即第k-1次采样误差)，u(k-1)的初始值为0，u(k-1)是u(k-1)函数的计算结果，在完成u(k)函数计算后依据u(k)函数的结果进行计算；β为两种计算误差分界值，取β＝2％～10％的最大位置误差(对于转台，其最大误差为180度)；SPEED_MAX为直驱电机的最大转速值；初始化计算时，取e(k-1)＝0。
当第k次位置误差绝对值|e(k)|>β时，u(k)＝Kpe(k)；
当第k次位置误差绝对值|e(k)|≤β时，
u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)；
通过这种分段控制方式，可以保证在不同的大范围定位时，最终超调量的一致性；
所述的u(k-1)函数式(3)：
当|u(k)|≤SPEED_MAX时，u(k-1)＝u(k)
当u(k)＞SPEED_MAX时，u(k-1)＝α×SPEED_MAX
当u(k)＜SPEED_MAX时，u(k-1)＝-α×SPEED_MAX
设置系数α，α取值范围1.0～10.0，α具备的特性是：α值小，则控制响应快，但超调量大，α值大，则控制响应减慢，超调量减小，因此α值整定时根据系统实际需求确定；通过对u(k-1)最大值限制，达到控制式(1)中积分器的值，当大范围位置定位时(假设初始位置误差为正值)，定位开始时|e(k)|>β时，采用u(k)＝Kpe(k)计算u(k)的值；当位置误差|e(k)|≤β时(此时转台位置反馈值接近位置给定值)，采用u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)计算u(k)的值，此时积分器开始积分控制，通过式(3)对u(k-1)进行了适当限定，积分器可以从负值开始积分，从而实现减小大范围定位时的超调量。
所述的速度指令约束函数计算如式(4)，实现对速度指令Speed_out的最大值限制。
即当|u(k)|≤SPEED_MAX时，Speed_ou＝u(k)；
当u(k)＞SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX；
当u(k)＜SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX。
一种直驱转台位置控制系统的控制方法，包括控制参数整定，所述的控制参数整定包括以下步骤：
1)控制位置给定值，使|e(k)|≤β，按常规方法完成Kp、Ki参数整定；
2)整定α值，首先取α＝1.0；
3)控制位置给定值，使|e(k)|＞β；
4)查看超调量是否小于期望值，如大于期望值，α值增加0.1，转到步骤3)；
5)完成参数整定。
本发明所达到的有益效果：
(1)、本发明的系统通过采样直驱电机带动转台转动，去除了机械减速箱的齿轮传动，不存在传动链齿隙，因而可以实现对转台的高精度位置控制；
(2)、本发明的系统在大范围角度定位时，通过误差分段控制和最后定位阶段的积分器积分起点值控制，达到有效控制超调量的目的。
附图说明
图1是本发明的组成示意图；
图2是本发明的控制器组成示意图；
图3是本发明的的位置控制算法示意图；
图4是本发明的位置控制算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种直驱转台位置控制系统，包括控制器、电机驱动器、直驱电机、位置传感器和转台；控制器完成转台的位置控制，并将速度指令通过与电机驱动器之间的现场总线接口传输给电机驱动器，完成直驱电机的速度控制；直驱电机输出轴的一端与转台转轴相连，带动转台转动；直驱电机输出轴的另一端与位置传感器相连，实现直驱电机的位置检测，位置传感器检测的直驱电机轴位置信息通过与控制器之间的位置传感器接口传输给控制器。
如图2所示，所述的控制器包括处理器(实际情况可选择DSP、ARM或PLC作为处理器,本实例选择ARM)、现场总线接口(本实例选择CAN总线接口)、上位机接口(本实例选择UART接口)和位置传感器接口(本实例选择SSI)。所述的处理器通过上位机接口接收位置给定(位置控制目标指令)，通过位置传感器接口接收转台位置反馈(实际位置信息)，在处理器中完成位置控制算法，并通过现场总线接口将速度指令输出到电机驱动器。
如图3所示，所述的处理器中的位置控制算法包括位置给定、位置反馈、u(k)函数、u(k-1)函数、速度指令约束函数和速度指令等。比例积分调节器的函数如式(1)：
其中：Kp-比例系数
Ki–积分系数；
u(k)-第k次采样时刻比例积分调节器输出
e(k)-第k次采样位置误差
式(1)中为第k次采样后所有位置误差的和与积分系数的乘积，即为比例积分调节器的积分器，在误差方向没有改变的情况下，积分器值符号不会改变，这是比例积分调节器控制时必然产生超调的原因，尤其是在大范围定位控制中超调量的绝对值较大。
图4为直驱转台位置控制系统的位置控制算法流程图，e(k)、e(k-1)分别为本次采样周期位置误差(即第k次采样误差)和上次采样周期位置误差(即第k-1次采样误差)，u(k-1)的初始值为0，u(k-1)是u(k-1)函数的计算结果，在完成u(k)函数计算后依据u(k)函数的结果进行计算；β为两种计算误差分界值，一般取β＝2％～10％的最大位置误差(对于转台，其最大误差为180度)；SPEED_MAX为直驱电机的最大转速值；初始化计算时，取e(k-1)＝0。
为实现减小大范围位置定位时的超调量，本发明采用式(2)函数代替式(1)中u(k)的计算函数：
即当第k次位置误差绝对值|e(k)|>β时，u(k)＝Kpe(k)；
当第k次位置误差绝对值|e(k)|≤β时，
u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)；
通过这种分段控制方式，可以保证在不同的大范围定位时，最终超调量的一致性。
所述的u(k-1)函数如式(3)：
当|u(k)|≤SPEED_MAX时，u(k-1)＝u(k)
当u(k)＞SPEED_MAX时，u(k-1)＝α×SPEED_MAX
当u(k)＜SPEED_MAX时，u(k-1)＝-α×SPEED_MAX
设置系数α，α取值范围1.0～10.0，α具备的特性是：α值小，则控制响应快，但超调量大，α值大，则控制响应减慢，超调量减小，因此α值整定时根据系统实际需求确定；通过对u(k-1)最大值限制，达到控制式(1)中积分器的值，当大范围位置定位时(假设初始位置误差为正值)，定位开始时|e(k)|>β时，采用u(k)＝Kpe(k)计算u(k)的值；当位置误差|e(k)|≤β时(此时转台位置反馈值接近位置给定值)，采用u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)计算u(k)的值，此时积分器开始积分控制，通过式(3)对u(k-1)进行了适当限定，积分器可以从负值开始积分，从而实现减小大范围定位时的超调量。
所述的速度指令约束函数计算如式(4)，实现对速度指令Speed_out的最大值限制。
即当|u(k)|≤SPEED_MAX时，Speed_ou＝u(k)；
当u(k)＞SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX；
当u(k)＜SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX。
一种直驱转台位置控制系统的控制方法，包括控制参数整定，所述的控制参数整定包括以下步骤：
1)控制位置给定值，使|e(k)|≤β，按常规方法完成Kp、Ki参数整定；
2)整定α值，首先取α＝1.0；
3)控制位置给定值，使|e(k)|＞β；
4)查看超调量是否小于期望值，如大于期望值，α值增加0.1，转到步骤3)；
5)完成参数整定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种直驱转台位置控制系统，其特征在于：包括控制器、电机驱动器、直驱电机、位置传感器和转台；所述的控制器完成转台的位置控制，并将速度指令通过与电机驱动器之间的现场总线接口传输给电机驱动器，完成直驱电机的速度控制；直驱电机输出轴的一端与转台转轴相连，带动转台转动；直驱电机输出轴的另一端与位置传感器相连，实现直驱电机的位置检测，位置传感器检测的直驱电机轴位置信息通过与控制器之间的位置传感器接口传输给控制器；
所述的控制器包括处理器、现场总线接口、上位机接口和位置传感器接口；所述的处理器通过上位机接口接收位置给定，通过位置传感器接口接收转台位置反馈，在处理器中完成位置控制算法，并通过现场总线接口将速度指令输出到电机驱动器；所述的处理器为DSP或ARM或PLC；
所述的处理器中的位置控制算法包括位置给定、位置反馈、u(k)函数、u(k-1)函数、速度指令约束函数和速度指令；
所述的u(k)函数的计算式为
其中e(k)、e(k-1)分别为第k次采样误差和第k-1次采样误差，u(k-1)的初始值为0，u(k-1)是u(k-1)函数的计算结果，在完成u(k)函数计算后依据u(k)函数的结果进行计算；β为两种计算误差分界值，取β＝2％～10％的最大位置误差；对于转台，其最大误差为180度；SPEED_MAX为直驱电机的最大转速值；初始化计算时，取e(k-1)＝0；Kp为比例系数，Ki为积分系数；
即当第k次位置误差绝对值|e(k)|>β时，u(k)＝Kpe(k)；
当第k次位置误差绝对值|e(k)|≤β时，u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)；
通过这种分段控制方式，可以保证在不同的大范围定位时，最终超调量的一致性。
2.根据权利要求1所述的一种直驱转台位置控制系统，其特征在于：所述的u(k-1)函数的计算式为
当|u(k)|≤SPEED_MAX时，u(k-1)＝u(k)
当u(k)＞SPEED_MAX时，u(k-1)＝α×SPEED_MAX
当u(k)＜SPEED_MAX时，u(k-1)＝-α×SPEED_MAX
设置系数α，α取值范围1.0～10.0，α具备的特性是：α值小，则控制响应快，但超调量大，α值大，则控制响应减慢，超调量减小，通过对u(k-1)最大值限制，达到控制积分器的值，当大范围位置定位时，假设初始位置误差为正值，定位开始时|e(k)|>β时，采用u(k)＝Kpe(k)计算u(k)的值；当位置误差|e(k)|≤β时，此时转台位置反馈值接近位置给定值，采用u(k)＝u(k-1)+(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)计算u(k)的值，此时积分器开始积分控制，通过上述u(k-1)的函数计算式进行了适当限定，积分器可以从负值开始积分，从而实现减小大范围定位时的超调量。
3.根据权利要求2所述的一种直驱转台位置控制系统，其特征在于：所述的速度指令约束函数计算式为：
实现对速度指令Speed_out的最大值限制；
当|u(k)|≤SPEED_MAX时，Speed_ou＝u(k)；
当u(k)＞SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX；
当u(k)＜SPEED_MAX时，Speed_ou＝SPEED_MAX。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的直驱转台位置控制系统的控制方法，其特征在于：包括控制参数整定，所述的控制参数整定包括以下步骤：
1)控制位置给定值，使|e(k)|≤β，按常规方法完成Kp、Ki参数整定；
2)整定α值，α取值范围1.0～10.0，α具备的特性是：α值小，则控制响应快，但超调量大，α值大，则控制响应减慢，超调量减小，首先取α＝1.0；
3)控制位置给定值，使|e(k)|＞β；
4)查看超调量是否小于期望值，如大于期望值，α值增加0.1，转到步骤3)；
5)完成参数整定。
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