基（jī）於Clipper控製器數控伺服係（xì）統（tǒng）的PID參數整定-刀具網-數控機床市（shì）場網

您現（xiàn）在的位置：數控係統網> 技術前沿>基於Clipper控製器（qì）數控伺服係統的PID參數（shù）整定

基於Clipper控製器數控伺服係統的PID參數整定

2017-12-4 來源：天津科技（jì）大（dà）學機械工（gōng）程學院作者：楊峰，董穎懷，薛威，李振亮（liàng），朱江

摘要：介紹了Clipper運（yùn）動控製器（qì）的結構（gòu）、伺服係統及PID+陷波伺服濾波器。采用板（bǎn）載全數字PFm回路，使得Clipper伺服係統為方向加脈（mò）衝信號輸出。通（tōng）過PID交互式調節，獲得（dé）合理（lǐ）的參數值，達到良好的穩態和動態特性，為（wéi）數控係統（tǒng）的高精密（mì）加工提供基礎。

關鍵詞：Clipper；PID + 陷波伺服濾波器；PFm；數（shù）控係統

0 引言（yán）

Turbo PMAC2是由Delta Tau設（shè）計製造的運動控製器中著名的PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）係列中Turbo係列產品。Turbo指代高性能的CPU，與PMAC2的接口（kǒu）電（diàn）路結合，使用（yòng）最新一代的數字信（xìn）號處理（DSP）芯片，具有更高的速度和（hé）更大（dà）的存（cún）儲空間提高了PMAC係列產品的性能。本文采用Clipper控製器（qì）（Turbo PMAC2-Eth-Lite），Clipper在保持低價、整合的同時，提供了強大的控製性能。它采用（yòng）Turbo PMAC2 CPU，提供（gòng）4軸（zhóu）伺服或步進控製以及32個通用數字I/O點。此外，Clipper采用通用的以太網和RS232串行通訊方（fāng）式，方便用戶進行控（kòng）製（zhì）器與上位機的連接，並可以（yǐ）通過選擇（zé）軸擴展卡（kǎ）對伺（sì）服通道（dào）及I/O端口進行擴展[1]。

1 、 Clipper控製係統及其PID伺服原理（lǐ）

1.1 Clipper控製係統本數控伺服係統采用位置控製（脈衝（chōng）+方（fāng）向），通過（guò）輸入的（de）脈衝（chōng）的頻率來確定伺（sì）服電機轉動速度的大小，通過脈衝的（de）個數來確定伺服電機（jī）轉動的角（jiǎo）度，本係統中控製器發出10000個脈衝伺服電機轉動（dòng）一圈。由於位置模（mó）式可以（yǐ）對（duì）速度和位置都有很嚴格的（de）控製，滿足係（xì）統的精度（dù）要（yào）求。在每根軸上安裝有（yǒu）光柵尺，伺服電機編碼器作為速（sù）度反饋，光柵尺作為位置反饋，使得係統為閉環控製（zhì）[2]。本數（shù）控係統由上位PC機、DTC-8B轉接板（bǎn）、Clipper控製器、MADH型驅（qū）動器（鬆下MINAS-A5係列）、MSMD型（xíng）伺服電機（jī）、滾珠絲杠傳動機構和光柵（shān）尺反饋裝置構成，如圖1所示.

圖（tú）1 數控係統運動控製構成圖

1.2 Clipper控製（zhì）器PID伺服原理

將偏差的比例、積分和微分（fèn）通過（guò）線性組合構成控製量，對被控（kòng）對象（xiàng）進行控製（zhì），稱為PID控製器[3]。

在（zài）生產過程中傳統（tǒng）PID控製是一（yī）種最普遍采用的控製方法，其廣泛應用在機電、機械、化工等行業中。隨（suí）著數控係統控製精度要求的提高，為了保證機床（chuáng）在運行、啟動或者停止時不產生衝擊、滯後、超調或者振蕩，就必（bì）須（xū）對伺（sì）服電機的進給脈衝（chōng）頻率或電壓進（jìn）行（háng）加減速控製[4]。

Clipper控製器提供了PID+NOTCH濾波的（de）控製環算法，根據係統的要（yào）求在PMAC Tuning Pro2軟件中，利用經驗方法來整定PID參數，從而達到（dào）數控係統的特性要求。PID控（kòng）製在係統中有反饋和前饋控製，兩者進行有機組合，既保（bǎo）留了反饋控製對偏差的控製作用，又能在幹（gàn）擾引起誤差前就對它進行補償，及時消除幹擾的影響（xiǎng），從而可以處理（lǐ）大（dà）部分的係統特性問題（tí）[5]。

Clipper控製器的（de）PID+NOTCH伺服（fú）濾波原理如圖2所示。

圖2 Clipper的PID+NOTCH伺服濾波原（yuán）理（lǐ）圖（tú）

圖中Kp（Ix30）比例（lì）增益（yì）為係統提供（gòng）剛性，其（qí）大（dà）小決定係統響應的快慢；Kd（Ix31）微分增益為係統提供阻（zǔ）尼，提高係統的動態特性；Kvff（Ix32）速度前饋增益，克服與速度成比例的潛在位置誤差；Ki（Ix33）積分（fèn）增（zēng）益可（kě）以減少係統的穩態誤差；IM（Ix34）積分模式控製積分增益什麽時候起作用；Kaff（Ix35）加速度前饋，克服與加速度（dù）成比例的潛在位置誤差；n1和n2為帶阻濾波器參數（Ix36和Ix37），d1和d2為帶（dài）通（tōng）濾波器參（cān）數（Ix38和Ix39），Ix36～Ix39主要用來阻尼掉一個電機/負載係統動力學的震蕩模式，x為電（diàn）機號。

2 、伺服係統I變量設置

Clipper伺服電機設置（zhì）流程圖如圖3[6]所示：

圖3 伺服電機設置流程圖

參考（kǎo）伺服（fú）電（diàn）機設置流程圖（tú）進行參數設置，首先設置電機定義的I變量：Ix00為（wéi）1，電（diàn）機處於激（jī）活狀態；Ix01為0，電機不進行換相（xiàng）運算；Ix02為PFM脈衝頻率輸出設置，3個電機依次設置為$078004、$07800C、$078014；Ix24電機標誌模式控製，設置為$800001；I x 2 5 電（diàn）機標誌地（dì）址， 3 個電機依次設置（zhì）為 $ 0 7 8 0 0 0 、$078008、$078010；Ix69

電機輸出命（mìng）令限（xiàn）製，設置為32767（10V）；其（qí）餘I變量為默認值。

伺服IC I變量：多通道伺服芯片I變量為默認值，特殊通道伺服芯片的I變量有以下設置：I7mn0（第m個伺服芯片的第n個通道）為編碼器譯碼控製，設置（zhì）為8（內部脈衝和方向）；I7mn2為捕捉控製，設置為2，在標誌n為高（gāo）捕捉；I7mn6輸出模式控製（zhì），設置為3，A和B輸出是DAC，C輸（shū）出是PFM（脈衝（chōng）加方向輸（shū）出指令（lìng））。

3 、 PID+NOTCH濾波器的參數整（zhěng）定

打開Pmac Tuning Pro2軟件後，點擊“Open Loop Test”進行開環特性測試，測（cè）試結果如圖4所示。由圖可知，電（diàn）機編碼器反饋設置正確，電機運動與（yǔ）指令（lìng）方（fāng）向完全相同，可以進行PID調節。

圖4 開環測（cè）試結（jié）果圖

打開PID Interactive Tuning調節窗口，如圖5所示.

選擇（zé）2號電機空載進行調節，進行參數（shù）設置，用階躍響應（yīng）調整穩態特性（xìng）[7]。

圖5 PID交互式調整（zhěng）窗口

3.1 進行參數初始設置

比例（lì）增益Ix30由式(1)可得（dé）：

式中 I x 0 8 為電機位置比例因子，設（shè）置為 9 6 ；PFMCLK為脈衝頻率調（diào）製時鍾頻率，設置為9.83MHz，代入上述（shù）公式可得：

微分（fèn）增益Ix31，從電機的輸出控製中（zhōng）減去一個與實際速（sù）度成比例的數值，反（fǎn）應誤差未來變化的信息，其值可以與Ix32的初設值相等。速度前饋增益Ix32由公（gōng）式(2)可得：

Servo Freq是伺服頻率，本係統（tǒng）伺服頻率為2.26k Hz（通過（guò）設置I7m00=6527，I7m01=0，I7m02=3時產生的伺服中斷頻（pín）率)。代入上式可得：

由於係統沒（méi）有閉合電流環，沒有偏移和幹擾作（zuò）用在數字（zì）電流環上，故將積分增益（yì）Ix33設置為0，積分模式Ix34采用默認（rèn）值為1。

3.2 PID 階躍響應參（cān）數整定

通過查閱資料，可知Ix30與Ix32有內（nèi）在聯係，當兩者的數值與初始數值不（bú）一致時，Ix30為初始（shǐ）值擴大n（比例因子（zǐ））倍時，Ix32為初（chū）始值的1/n倍。因此給出不同的（de）n

進行初期調試，考慮各響應參（cān）數值的大小，取n為65，即（jí）Ix30=45500，Ix32=230。此時對（duì）應（yīng）的階躍響應曲線固有頻（pín）率比較大，設置Ix31=230（加（jiā）入阻（zǔ）尼），此時固有頻率下降，峰值時（shí）間延長，對應階躍響應曲線1如圖（tú）6所示。

圖（tú）6 階躍響應曲線1

3.3 進（jìn）行Notch Filter調節

點（diǎn）擊“Notch Filter calculator”按（àn）鈕，進入Notch Filter調節窗口如圖7所示，將階躍（yuè）響應的固有頻率125 Hz輸入在（zài）“Resonant frequency”處，勾選上“Auto-Calculate Frequency Specifications”自（zì）動計算固有頻率值。點（diǎn）擊“Calculate Filter Gain”按鈕（niǔ），得到對（duì）應的Ix36-Ix39計算值，點擊“Implement Notch Filter”將得到的5個計算值下載（zǎi）到Clipper中，退出此界麵。重新得到一個（gè）Ix30=66504，此時係統處於震蕩狀（zhuàng）態，在（zài）保證上升時間、峰（fēng）值時間、穩定時（shí）間都小於10ms和超調量（liàng）小於10%

時，將Ix30設置為（wéi）24000，對應階躍響應曲線（xiàn）2如圖8所示。

圖（tú）7 陷波濾波器調節窗口

圖8 階躍響應曲線2

3.4 PID拋物線參數整定

點擊“Parabolic Velocity”按鈕，進入（rù）拋物線參數調整界麵，將Move Size設置為16000（電機實際速度決定，本係（xì）統速（sù）度（dù）為32cts/ms），其餘設置不變。先調節（jiē）速度前饋參數後調整（zhěng）加速（sù）度參數，在不加（jiā）入（rù）Ix35時逐步等增量增加Ix32，當Ix32=870時，再增（zēng）加Ix32動態特性無顯著改善。此時加入Ix35，先大值增加Ix35判斷優（yōu）良響應範圍，再進行微調，得到Ix35=2380時的拋物線（xiàn）響應（yīng）曲線3如圖9所示。

圖9 拋物線響應曲線3

3.5 電機負載（zǎi）時PID參數整定

將（jiāng）電機與滾珠絲杠傳動裝置連接，進行負載調試，參照空載調試參數值，得到Y軸（zhóu）PID階躍響應（yīng）曲（qǔ）線和拋物線響應曲線圖如圖（tú）10、圖11所示。Y軸的（de）階躍響應曲線：上升時間為4ms，穩態（tài）時間為9ms，最大超調量為3.8%（小（xiǎo）於5%），固有頻率為81Hz（低於100Hz），穩定時間為7ms，係統響應速度快且穩定時間短，具有良好的穩態特性。拋物線響應：係統的跟隨誤差在（zài）線附近，平均速度誤差和平均加速度誤差都為0.0002，最（zuì）大跟隨誤差為0.6299cts（0.252μm），實際速度（dù）曲線與指令曲線（xiàn）吻合度高，滿足係統的動態特性要求。

圖10 Y軸階躍響應曲線

圖11 Y軸拋（pāo）物線（xiàn）響應曲線

通過Y軸的空載和負載PID調試，可知空載調試的參數值十分優良。依次激活X軸和Z軸電機，進行負載PID調試，進行微調（diào）後，與y軸動（dòng）態響應類似，滿足本數控係統的特性。

3個軸的PID參數值如表1所示。

表1 3個軸的PID參數表

3.6 方法歸（guī）納

1）確定Clipper控製器（qì）與驅動器之間的位置控製（脈衝+方向）方式，從而進行全局變量和局部變量設置，使得伺服電機達到預定的（de）控製（zhì）效果。

2）理解PID+NOTCH伺服濾波原理，參考用戶手冊，選擇單個（gè）電機空載時（shí）進行參數調試，通過軟件進行交互式調（diào）整，先調階躍響應再調拋（pāo）物線響應，從而得到較優良的參數值。

3）Ix30、Ix31和Ix33決定係統的穩態特性，Ix32和Ix35決定（dìng）係統的動態特性，先設置Ix30、Ix31和Ix32，進（jìn）行Notch Filter調節，降低固有頻率，選擇合（hé）適的Ix30值滿足參數要求。進行拋物線調試時，先增加Ix32，在加入Ix35得到較好的動態特（tè）性。耐心選擇參數值，多次重複調試，從而取得最優（yōu）控製。

4）將所得參數值代入 3個軸，進行（háng）負（fù）載調試。根據每個軸的工況不同，再進行微調，最終（zhōng）獲得優良的穩態和動態特性，滿足數控係統高精度加工要求。

4 、結束語

本文介紹了Clipper控製的伺服算法原理及（jí）控製係統組成，通過對電機的I變量參（cān）數設置，使得係統為脈衝（chōng）+方向控製。采用交互式方式進行PID參數調節，選擇一個電機調節（jiē）階躍響應調試穩態特性，拋物線響應調試（shì）動態特性，從而得到理想（xiǎng）的參數值。3個（gè）軸設置相同的參數值進行負載調（diào）試，根據各軸情況進行微調，得到較好的動態特性，數控係（xì）統達到很好的控製效果。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿（gǎo）件發表，或進行資訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數控（kòng）機床