数控机床交流伺服系统的复合控制研究

　　为适应生产的需要，现代机械制造越来越要求伺服控制向高精度、高速度和高自动化方向发展。现在工业所用的大多数数控机床所采用的是位置反馈加上速度内环控制，采用的控制方法是P-P或P-PI控制，依靠调节位置增益来满足稳定性、快速性和定位精度等要求，但由于交流伺服系统的数学模型具有非线性、时变性和强耦合等特点，因而难以达到较为满意的控制效果。本文所讨论的反馈加前馈的复合控制方法，是由偏差及偏差变化率在线自动调整比例、积分、微分$个参数，能较好地提高系统的快速响应性，减少跟踪误差，具有较强的鲁棒性。

1 三环交流伺服系统的结构

　　三环交流伺服系统通常具有位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环结构形式，如图1所示，其中电流环和速度环均为内环。电流环的主要作用是限制电枢电流在动态过程中不超过最大值，使系统具有足够大的加速转矩，提高系统的快速性，常设计为典型I系统，选用PI型控制器。速度环的主要作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，实现稳态无静差，常设计为典型II系统，也选用PI型控制器。而位置环的主要作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能，直接关系到交流伺服系统的稳定性和能否高性能运行，是设计的关键所在。

图1 三闭环交流伺服系统 

2 复合控制器的设计

　　采用矢量控制的交流伺服系统，由于在M-T坐标系中简化的数学模型与直流电动机等效，并实现了异步电动机的解耦，电流环和速度环按PI型调节器设计容易实现，但PI型调节器在超调与快速性之间存在矛盾，尽管电流控制PWM的矢量调速伺服系统设计成典型I系统，但也存在速度误差，且加速度误差为无穷大。因此单一比例调节器的位置环就难以满足高精度高速度特性要求，采用反馈加前馈的复合控制方法能较好地解决这一问题。复合控制器的系统结构如图2所示。

图2 三闭环交流伺服系统 

　　2.1 模糊自校正PID控制器的设计

　　传统PID控制器的E个参数一旦调试好就固定不变了，而当系统参数、系统工况发生变化时，采用固定参数PID算法就难以使系统达到预期的控制目标。为了使系统有较强的鲁棒性和自适应能力，可以在PID控制的基础上引入模糊控制思想构成模糊自校正PID控制器。如图3所示。

图3 模糊自校正PID控制器 

　　模糊自校正PID控制器是以偏差E和偏差变化率EC为输入，以Kp、Kd和α作为输出。定义PID控制器的相关参数的关系如下：

　　式中：Kp为比例系数；Ki为积分作用系数；Kd为微分作用系数；Ti为积分作用时间常数；Td为微分作用时间常数。选定E、EC及Kp、Kd、α的语言变量均为［负大，负中，负小，零，正小，正中，正大］，记为［NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB］。通过仿真和专家实验，可总结出Kp，Kd，α个参数的调节规则，见表1。

　　2.2 前馈控制器的设计

　　为了提高伺服系统的快速响应能力，减小跟踪误差，在控制系统中引入前馈控制器，前馈控制分为速度前馈和加速度前馈，其中速度前馈的作用是减小微分增益或者测速环路阻尼所引起的跟踪误差，将一个与电机要求的转速成比例的量增加到控制输出上。加速度前馈的主要作用是减小由于惯性所带来的跟踪误差，它将一个与电机期望的加速度成比例的量增加到控制输出上。前馈控制器的结构如图4所示。

图4 前馈控制器

3 仿真与实验

　　仿真电机为2KW的三相永磁同步伺服电机，其额定转矩Ten=14N·m，转动惯量J=0.0088N·m2，位置检测采用增量式光电编码器，每秒输出-633个脉冲，经四倍频后每秒输出10000个脉冲。图6为它的阶跃响应曲线，图6为它的位置跟踪误差曲线（初始给定脉冲为10个）。

4 结束语

　　实验结果表明，采用反馈加前馈的复合控制的交流伺服系统，对输入信号的响应速度快，无超调，跟踪偏差小，过度时间短，定位精度高。较常规PID控制有较强的参数变化自适应能力，鲁棒性好。