臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制器10MC在音叉切割機(jī)上高階PID算法的應(yīng)用

【Abstract】In the continuous-time control system,the design technology of the PID controller which is widely used is mature.PID controller has typical structure, parameters setting is convenient, structure changing is flexible,it can meet the general control requirements.Digital PID control is more superior than PID control.because of flexibility of the computer program,we can overcome the problems in the continues PID easily,then fix and get more perfect digital PID algorithm.

【關(guān)鍵詞】10MC;A2伺服;Canopen;PID;音叉切割機(jī)

【Keywords】10MC; A2 servo;Canopen;PID; Tuning fork cutting machine

1  前言

　　晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（VCO）。 晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

　　音叉多線切割機(jī)是用于替代多刀切割機(jī)加工晶振啟振音叉的設(shè)備。音叉多線切割機(jī)相對(duì)多刀切割機(jī)優(yōu)點(diǎn):1、加工效率高10倍；2、耗材低；3、精度高，無(wú)需進(jìn)行二次加工做研磨；4、經(jīng)濟(jì)效益高，一次可切割上千個(gè)音叉。由于普通指令無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，因此只有通過(guò)簡(jiǎn)單邏輯指令開(kāi)發(fā)高階PID算法。

2  系統(tǒng)控制框圖及說(shuō)明

   　設(shè)備框圖及工藝要求如圖1。

圖1 設(shè)備框圖及工藝要求

　　音叉多線切割是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將晶體一次同時(shí)切割為數(shù)千片薄片的一種新型切割加工方法。因此該套設(shè)備的難點(diǎn)是收放線軸與主軸高速同步保持不斷線，并且保證恒定張力。高速同步保證是通過(guò)收放線張力伺服編碼器反饋輸出值與給定值差，通過(guò)高階PID算法調(diào)整收放線軸速度，從而保證恒定張力。

3  配置方案選型及程序

　　該設(shè)備一共有八顆伺服，因此控制器選用臺(tái)達(dá)10MC總線運(yùn)動(dòng)控制器，如圖2所示。

圖2 臺(tái)達(dá)10MC總線運(yùn)動(dòng)控制器

　　DVP10MC11T是臺(tái)達(dá)自主研發(fā)的基于CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它遵循CANopen DS301基本通訊協(xié)議和DSP402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，同時(shí)還支持大部分國(guó)際組織所定義的運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)，極大方便使用者快速入門(mén)，迅速的進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

　　DVP10MC11T 是一個(gè)多功能控制器，其內(nèi)部包含標(biāo)準(zhǔn)PLC 模塊和MC 運(yùn)動(dòng)控制模塊兩大功能模塊（如圖2）。PLC模塊與臺(tái)達(dá)其它DVP系列PLC功能相似，使用方法也相同，通過(guò)WPLSoft或ISPSoft 編程軟件，可以編寫(xiě)梯形圖，順序功能圖，指令表等臺(tái)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的PLC 邏輯程序。PLC 模塊同時(shí)還支持左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)擴(kuò)展接口，左側(cè)為高速并行擴(kuò)展口，可以連接最多7臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線主站模塊（DeviceNet，CANopen主站等）、以太網(wǎng)模塊及高速模擬量模塊等，右側(cè)用來(lái)連接原DVP-S系列PLC的擴(kuò)展模塊（如低速模擬量及數(shù)字量模塊）。MC運(yùn)動(dòng)控制模塊主要通過(guò)CANopen總線，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精密的控制，以完成用戶所期望的速度控制、位置控制等功能。MC 運(yùn)動(dòng)控制模塊采用CANopenBuilder 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言以圖形化的方式提供用戶編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制功能，使用簡(jiǎn)潔，易于學(xué)習(xí)理解。

　　10MC控制器是CANopen總線控制器，臺(tái)達(dá)A2-M伺服支持CANopen通訊。與10MC控制器配套選用。配線大大簡(jiǎn)化、控制更加精確，能夠滿足高端設(shè)備的應(yīng)用需求。

4  設(shè)置各個(gè)軸的軸參數(shù)

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 各軸伺服參數(shù)

5  數(shù)學(xué)模型建立

5.1 PID控制系統(tǒng)

　　連續(xù)一時(shí)間PID控制系統(tǒng)如圖所示。圖5中，D（s）為控制器。在PID控制系統(tǒng)中，D（s）完成PID控制規(guī)律，稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y（t）和給定量r（t）之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)。

圖5 PID控制

　　圖中的比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u（t）稱(chēng)為比例（Proportional），積分（Integrating），微分（Differentiation）控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。

5.2增量算法

　　當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”。

圖6 PID增量控制

　　由位置算法求出：

　　兩式相減，得出控制量的增量算法式稱(chēng)為增量式PID算法。

式中已看不出是PID的表達(dá)式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。從式中看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。程序如圖7、圖8。

圖7 程序圖

圖8 程序圖

3  離散化增量式PID算法的數(shù)據(jù)監(jiān)控

　　根據(jù)PID算法模型，高速運(yùn)行時(shí)，收線放線伺服輸出偏差正負(fù)5轉(zhuǎn)以及張力擺動(dòng)扭矩正負(fù)1牛。同時(shí)監(jiān)視主軸、張力、放線伺服的波形如圖9、圖10和圖11。

圖9 主軸波形圖

圖10 張力伺服的波形圖

圖11 放線伺服的波形圖

　　通過(guò)監(jiān)視波形，在張力輪的角度發(fā)生偏差后，收放線速度能夠快速的進(jìn)行改變，保持張力輪穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)固定的位置。由此可知，離散增量式PID算法在這種快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)中是可行的。

6  結(jié)束語(yǔ)

　　中達(dá)電通主要為中國(guó)最具成長(zhǎng)潛力的通信及自動(dòng)化市場(chǎng)提供設(shè)備和服務(wù)。其主要產(chǎn)品和服務(wù)包括視訊設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、寬帶數(shù)據(jù)和機(jī)電自動(dòng)化四個(gè)方面。中達(dá)電通的母公司為世界著名的電子制造跨國(guó)企業(yè)——臺(tái)達(dá)電子集團(tuán)，臺(tái)達(dá)集團(tuán)在江蘇吳江建有規(guī)模龐大的生產(chǎn)基地，是全球第一大電源管理系統(tǒng)供貨商和臺(tái)達(dá)變頻器、編碼器、人機(jī)界面、PLC、伺服、溫控器等機(jī)電產(chǎn)品的制造廠商。作為工控行業(yè)內(nèi)的知名廠商，尤其是在國(guó)內(nèi)唯一一家能將機(jī)電產(chǎn)品做的如此全面的制造廠家，我們通過(guò)應(yīng)用自己的產(chǎn)品能夠?yàn)楦餍懈鳂I(yè)的客戶提供全面的解決方案。最佳的產(chǎn)品性價(jià)比、周到完善的全國(guó)乃至全球聯(lián)保服務(wù)能夠保證客戶利益。中達(dá)電通的服務(wù)體系遍布全國(guó)。

　　經(jīng)過(guò)客戶各種崗位人員測(cè)試，此算法未出現(xiàn)任何沒(méi)有出現(xiàn)任何異常，滿足客戶各種操作要求以及傻瓜相機(jī)式的設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：

應(yīng)院祥，男，出生于1985年12月，畢業(yè)于江西現(xiàn)代學(xué)院電子與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司應(yīng)用工程師。近幾年來(lái)一直從事運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的程序開(kāi)發(fā)及營(yíng)銷(xiāo)推廣等工作，具有5年的多線切割機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及各種機(jī)型工藝。