基于DSP的伺服运动控制器研究与开发

3 速度、加速度前馈PID控制算法

本控制器采用典型的三环调节，其中速度调节器和电流调节器的功能由伺服电机驱动器完成，电流环用来提高系统的动态响应指标，增强系统抗干扰能力；速度环用于调节伺服电机的转速。位置闭环调节原理框图如图2所示，它包括位置PID调节和速度、加速度前馈，由运动控制器底层程序完成，用于实现精确定位、回零等，输出饱和控制可保证输出电压不会超过设定范围。



位置环的计算公式为：



其中En为第n个采样时刻的位置误差；Ptarget为第n个采样时刻的目标位置；Pactral为第n个采样时刻的实际位置，Un为位置环输出速度指令电压；为第n个采样时刻的累积误差值；Vt为当前目标速度；Kvff为速度前馈增益；At为当前目标加速度；Kvff为加速度前馈增益；Kp、Ki、Kd分别为比例、微分和积分增益。



4 Matlab仿真及结果分析

基于KLD-200二维数控平台进行仿真。平台由两个Panasonic公司的MSMA012A 1E伺服电机及配套的MSDA013A1A驱动器进行控制。电机最高转速为3000RPM，功率1 00W，增量式编码器，2500P／r，丝杠导程为4mm／r。取Kp＝100、Ki＝12、Kd＝2进行仿真。Y轴电机速度曲线与余弦曲线类似，跟随误差曲线如图3所示。无前馈情况下电机跟随误差从开始的63个脉冲在0.137秒后上升到114个脉冲，随后作类似余弦曲线的变化。引入前馈后，跟随误差从开始的63个脉冲迅速上升到109个脉冲，然后逐渐下降，在大约0.2秒后稳定在±2个脉冲之间。可见，速度和加速度前馈大大减小了系统的跟随误差。利用自己开发的运动控制器对数控平台反复进行控制实验，效果良好。梯形曲线控制实验中，设定加速度为10rev／s2，目标速度300RPM，位移120mm。到达目标速度后，驱动器显示的电机速度波动范围在±2RPM之间。利用VC的OnTimer（）函数实时获取位置信息并进行显示，可以看出，到位后的最大超调量约为5～10个脉冲，稳态误差在±2个脉冲之内，小于1mm。



5 结束语

本运动控制采用基于DSP和CPLD的硬件方案充分发挥了DSP芯片实时高效的处理能力，系统设计合理，可以实现变传动比的电子齿轮和多轴插补功能。控制器采用了基于速度和加速度前馈的PID调节和NURBS插补等先进理论，实验和仿真结果表明，该运动控制器实时性好，控制精确度高，跟随误差小，理论跟随误差小于2个脉冲，位置控制误差小于1mm，可以满足高速高精度加工的要求。