摘要：隨動(dòng)控制是伺服控制的一種，屬于一種反饋控制。它的給定值在很大范圍內(nèi)變化，可使系統(tǒng)的隨動(dòng)變量快速、準(zhǔn)確地跟隨給定值任意變化。主要解決一定精度的跟隨問(wèn)題。本文介紹使用多臺(tái)自整角機(jī)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和傳送，提出基于單片機(jī)和變頻器對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施閉環(huán)控制的隨動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)異地隨動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞：伺服控制；自整角機(jī)；單片機(jī)；變頻器；伺服電機(jī)

1 問(wèn)題的提出與現(xiàn)狀分析
    現(xiàn)有的電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為兩大類，一是傳統(tǒng)的繼電器-交流接觸器控制系統(tǒng)，目前仍廣泛應(yīng)用于電機(jī)運(yùn)行的簡(jiǎn)單控制中，例如完成電機(jī)的點(diǎn)長(zhǎng)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、星三角變換等常規(guī)運(yùn)行控制。二是微機(jī)控制技術(shù)與交流接觸器、變頻器控制系統(tǒng)結(jié)合，主要的控制形式是可編程序控制器(PLC)在電機(jī)控制電路中的應(yīng)用，控制電路中除了保留主電路中的交流接觸器外，其邏輯控制部分如：自鎖互鎖、延時(shí)定時(shí)、順序控制、機(jī)械手臂動(dòng)作控制等都由PLC編程實(shí)現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了控制回路的外連電路，提高了控制精度、穩(wěn)定性和可靠性。如果用PLC和變頻器相結(jié)合共同控制電機(jī)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的變速、調(diào)速運(yùn)行。這兩大類控制技術(shù)目前都已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且得到了廣泛應(yīng)用。
    盡管如此，還是有許多電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的控制功能得不到滿足，例如：雙電機(jī)或多電機(jī)的異地驅(qū)動(dòng)中，要求轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步的驅(qū)動(dòng)控制；集群式太陽(yáng)能采集板多電機(jī)的轉(zhuǎn)角同步控制等等。對(duì)電機(jī)的這種并行同步控制需求，顯然不能簡(jiǎn)單應(yīng)用上述兩種控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡S著被控單元數(shù)量的增加和物理空間分布的分散，需要使用的PLC數(shù)量也會(huì)增加，控制系統(tǒng)的成本將激增，極大地降低了控制系統(tǒng)的性價(jià)比。本文從雙電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)出發(fā)，探討多電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，應(yīng)用角度傳感器(自整角機(jī))和單片機(jī)組成多微機(jī)聯(lián)控的”集散式”隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)-變頻器-伺服電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)或多電機(jī)的轉(zhuǎn)速”隨動(dòng)同步”控制。

2 異地隨動(dòng)轉(zhuǎn)速同步控制原理
2．1 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差形成的原因與危害
    交流電機(jī)控制電路中，通常采用開(kāi)環(huán)的位式控制或采用變頻器的變速控制。盡管各電機(jī)參數(shù)相同，給定的電壓或頻率也相同，但由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同，還是會(huì)產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，若電機(jī)的機(jī)械特性較硬，則這個(gè)偏差不大，在不要求轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步的應(yīng)用場(chǎng)合此問(wèn)題可以忽略；但要求嚴(yán)格同步時(shí)則可能產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題。例如大跨距的大型龍門吊，其雙軌行程的并行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，較小的轉(zhuǎn)速偏差隨時(shí)間積累將形成很大的行程偏差，加大了輪轂與鋼軌的側(cè)向摩擦力，甚至別死車輪；又如多電機(jī)聯(lián)軸驅(qū)動(dòng)不接差速器時(shí)，偏差積累的強(qiáng)大力矩會(huì)使鋼軸變形等。

2．2 雙電機(jī)簡(jiǎn)單隨動(dòng)控制結(jié)構(gòu)及原理
    雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了避免由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的不同，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，應(yīng)設(shè)雙電機(jī)中任一電機(jī)為主動(dòng)電機(jī)，另一電機(jī)為隨動(dòng)電機(jī)。主控電機(jī)直接接受操作控制或變頻器驅(qū)動(dòng)，設(shè)有主控單片機(jī)控制器，角度／速度傳感器，將主動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集處理后向隨動(dòng)電機(jī)控制器串行發(fā)送；隨動(dòng)控制器接收主控制器發(fā)來(lái)的主動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)作為給定值，且與角度轉(zhuǎn)速傳感器、變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。應(yīng)用最少拍控制算法以提高響應(yīng)的實(shí)時(shí)性并消除靜差，或應(yīng)用PID控制算法減小過(guò)調(diào)量并消除靜差，使隨動(dòng)電機(jī)與主動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速真正實(shí)現(xiàn)并行同步。

2．3 多電機(jī)隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
    在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，每臺(tái)電機(jī)都設(shè)有專用的單片機(jī)隨動(dòng)控制器、角度／轉(zhuǎn)速傳感器、變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各自都構(gòu)成有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其主動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)作為給定值是具有群控引領(lǐng)作用的數(shù)據(jù)，各單片機(jī)與主控制器之間采用串口通信或I2C總線連接，構(gòu)成集散式控制系統(tǒng)，各單片機(jī)隨動(dòng)控制器一方面接收主控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)速給定值，同時(shí)接收轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)的本機(jī)轉(zhuǎn)速值，同樣應(yīng)用最少拍控制算法以提高響應(yīng)的實(shí)時(shí)性并消除靜差，或應(yīng)用PID控制算法減小過(guò)調(diào)量并消除靜差，使眾多隨動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定值轉(zhuǎn)速之間真正實(shí)現(xiàn)并行同步。由于采用串口通信，主控制器可以向各隨動(dòng)控制器發(fā)送相同的給定值，也可根據(jù)需要發(fā)送不同的給定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的同步、異步和特殊控制要求。

2．4 單片機(jī)集散式控制系統(tǒng)特點(diǎn)
    單片機(jī)集散式控制系統(tǒng)具有操作和管理集中、多機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制、線路連接簡(jiǎn)便、主機(jī)還可擴(kuò)展上位機(jī)的USB接口和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接口，為進(jìn)一步擴(kuò)展工程應(yīng)用范圍，運(yùn)行更復(fù)雜的程序，實(shí)現(xiàn)更多樣的控制功能奠定基礎(chǔ)。由此可知，凡是需要集群多工位電機(jī)并行的群控隨動(dòng)控制系統(tǒng)，都適用以單片機(jī)集散式控制構(gòu)建控制系統(tǒng)，本文的意義就在于設(shè)計(jì)構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定、可并行工作的群控隨動(dòng)控制系統(tǒng)。(集散式控制方框圖、遠(yuǎn)程串行接口電路詳見(jiàn)《電子技術(shù)》2009，12期《多微機(jī)聯(lián)控在大型三面翻廣告設(shè)備中的應(yīng)用》一文)

3 隨動(dòng)控制系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)
    實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步隨動(dòng)的關(guān)鍵之一是轉(zhuǎn)予位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)，可選的檢測(cè)方案有多種，這里介紹使用自整角機(jī)的檢測(cè)方法。檢測(cè)值經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)作進(jìn)一步的程序分析。(模數(shù)轉(zhuǎn)換電路詳見(jiàn)《電子技術(shù)》2009，12期《多微機(jī)聯(lián)控在大型三面翻廣告設(shè)備中的應(yīng)用》一文)
3．1 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)
    由自整角機(jī)原理可知，發(fā)送方通電轉(zhuǎn)子的電壓有效值一定時(shí)，其交變磁場(chǎng)在定子三相繞組中的感生電勢(shì)因位置的不同其電壓有效值就不同，對(duì)三相電勢(shì)有效值的檢測(cè)和分析即可獲取轉(zhuǎn)子靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的位置信息。

3．2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)
    自整角機(jī)三相定子繞組中任一相感生電勢(shì)有效值的大小變化速率，正比于轉(zhuǎn)子位置的變化速率。若轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)，則定子感生電勢(shì)大小不變；反之定子電壓有效值變化越快，說(shuō)明轉(zhuǎn)子位置變化越快。對(duì)電壓有效值變化速率的檢測(cè)和分析，即可獲得被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。(參看圖5自整角變壓器)
3．3 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的檢測(cè)
    由于轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，必有某相感生電勢(shì)有效值較大，另兩相較小。根據(jù)三相定子繞組空間分布情況，設(shè)ABC三相在某時(shí)刻為B相電勢(shì)有效值較大，A、C兩相電勢(shì)有效值較小，則下一時(shí)刻若A相電勢(shì)減小、C相電勢(shì)增大，說(shuō)明轉(zhuǎn)子在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；反之若A相電壓增大、C相電壓減小，說(shuō)明轉(zhuǎn)子作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
3．4 系統(tǒng)中主動(dòng)電機(jī)的選擇
    自整角機(jī)可以用來(lái)檢測(cè)主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，也可用來(lái)檢測(cè)隨動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，只要兩電機(jī)的機(jī)電常數(shù)相同，飛輪轉(zhuǎn)矩相同，則主動(dòng)與隨動(dòng)可以較方便地切換；在多電機(jī)隨動(dòng)中，主動(dòng)電機(jī)只能有一個(gè)，通常選擇在控制系統(tǒng)中具有主導(dǎo)作用或引領(lǐng)作用的電機(jī)為主動(dòng)電機(jī)。
    例如：在由雷達(dá)天線主導(dǎo)的自動(dòng)高炮群隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，雷達(dá)天線的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主動(dòng)電機(jī)；在群控太陽(yáng)能采集板控制系統(tǒng)中，具有光線方向采集與識(shí)別的太陽(yáng)能采集板驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主動(dòng)電機(jī)。

4 最少拍控制與PID控制的特點(diǎn)
4．1 最少拍控制算法的特點(diǎn)
    在結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的最少拍控制系統(tǒng)中，一個(gè)采樣周期稱為一拍，對(duì)特定給定的輸入量，能在最少采樣周期數(shù)內(nèi)使系統(tǒng)輸出量達(dá)到無(wú)靜差的穩(wěn)定狀態(tài)，所以又稱為最少拍控制或時(shí)間最優(yōu)控制。
    設(shè)特定的輸入量為r(k)，系統(tǒng)輸出為c(k)，被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為G(Z)，數(shù)字控制器的控制算法為D(Z)，控制偏差為E(z)；當(dāng)G(Z)D(z)=1時(shí)，c(k)能即時(shí)準(zhǔn)確跟蹤r(k)必須滿足的條件有兩個(gè)，即：a．G(Z)穩(wěn)定；b．D(Z)可實(shí)現(xiàn)。
    所以其特點(diǎn)是：
    (1)對(duì)特定的r(k)，當(dāng)ess=lim[r(k)-c(k)]=O時(shí)，系統(tǒng)輸出無(wú)靜差；
    (2)且c(k)準(zhǔn)確跟蹤r(k)所需的采樣周期數(shù)為最少；
    (3)控制系統(tǒng)穩(wěn)定；
    (4)控制算法D(Z)可實(shí)現(xiàn)。
    以下給出結(jié)構(gòu)最優(yōu)化最少拍控制系統(tǒng)的單位階躍序列的計(jì)算機(jī)仿真響應(yīng)曲線(圖6)和單位斜坡序列的計(jì)算機(jī)仿真響應(yīng)曲線(圖7)。

4．2 PID控制算法的特點(diǎn)
    圖8 PID階躍響應(yīng)曲線
    PID是經(jīng)典的工業(yè)過(guò)程控制算法，通常應(yīng)用于工作速度不很高的控制過(guò)程中。根據(jù)不同的控制對(duì)象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例一積分控制PI，比例一微分控制PD和比例-積分-微分控制。其中比例控制P的主要作用是對(duì)偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存基礎(chǔ)的，通常輸出存在靜差；積分控制I的主要作用就是消除靜差，但會(huì)使響應(yīng)速度減?。晃⒎挚刂苿t可提高響應(yīng)速度，也存在靜差。有階躍響應(yīng)曲線圖8可以看出，采用PID調(diào)節(jié)是響應(yīng)速度最快的無(wú)靜差控制。
    各控制品質(zhì)用單位階躍響應(yīng)曲線表示如圖8所示。

5 電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制電路
5．1 變頻器多檔轉(zhuǎn)速控制電路的特點(diǎn)
    幾乎所有的變頻器都設(shè)置有多當(dāng)轉(zhuǎn)速的功能，格擋轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換是由外接開(kāi)關(guān)的通斷組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3個(gè)輸入端子可切換8檔轉(zhuǎn)速(包括0速)。對(duì)三菱FR-A540系列變頻器來(lái)說(shuō)，3個(gè)輸入端子分別用RL、RM、RH表示；對(duì)森蘭SB60變頻器來(lái)說(shuō)，需用編程的方法將Xl、X2、X3定義為多檔頻率端子。
    單片機(jī)隨動(dòng)控制器根據(jù)給定值(主動(dòng)方發(fā)送的)、檢測(cè)值(本機(jī)自整角機(jī)檢測(cè)的)求出偏差，進(jìn)行PID或最少拍算法編程計(jì)算輸出量，輸出量用二進(jìn)制數(shù)表示，用3個(gè)輸出端子經(jīng)接口電路(電平轉(zhuǎn)換)連接變頻器的3個(gè)多檔速端子；另有變頻器的正轉(zhuǎn)控制端子STR、反轉(zhuǎn)控制端子STF、急?？刂贫俗覵TOP、復(fù)位端子RES和電平參考端子SD，使用接口的8個(gè)端子與變頻器控制端連接；接口電路中還有一個(gè)交流接觸器，用來(lái)控制給變頻器通斷交流電源；以及故障報(bào)警鈴和報(bào)警信號(hào)燈。
5．2 變頻器功能預(yù)置
    變頻器多檔速驅(qū)動(dòng)控制需預(yù)置各檔轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率，此處從略。

6 雙電機(jī)隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
6．1 單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子位置采樣的實(shí)驗(yàn)分析
    如前所述，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置采樣是通過(guò)對(duì)自整角機(jī)定子三相繞組感生電壓的有效值大小來(lái)分辨的。有效值變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)表明：
    (1)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小按正弦量全波整流后的規(guī)律變化，頻率與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)固定不變。
    (2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快時(shí)，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的周期短，頻率高；反之，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低時(shí)，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的周期長(zhǎng)，頻率低。
    (3)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子作變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的規(guī)律是非正弦的；頻率變化隨加速升高，隨減速降低。
    (4)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小固定不變，各相定子電壓不等；當(dāng)某相為最大值時(shí)，另兩相值較小且相等。
    (5)設(shè)電機(jī)ABC相序?yàn)轫槙r(shí)針，且設(shè)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子交變磁極軸線正對(duì)B相時(shí)，則B相電壓有效值最大，AC兩相有效值相等；此時(shí)若順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則A相有效值減小、而C相有效值增大；反之，則A相增大、C相減小。
    (6)對(duì)主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的精度，取決于對(duì)自整角機(jī)定子感生電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)字量的位數(shù)；且轉(zhuǎn)角與有效值的對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的正弦關(guān)系。當(dāng)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子交變磁極軸線倒相時(shí)，存在”相位模糊”現(xiàn)象。
    綜上所述，應(yīng)用自整角機(jī)作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)，其用作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向檢測(cè)較為方便準(zhǔn)確；用作轉(zhuǎn)角檢測(cè)時(shí)，需解決好相位模糊現(xiàn)象并做好非線性處理。在雙電機(jī)隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，我們采用了轉(zhuǎn)軸光電脈沖輔助檢測(cè)的方法，很好地解決了相位模糊問(wèn)題。轉(zhuǎn)角與有效值的非線性關(guān)系，在單片機(jī)中采用了查表法解決，顯然，若要求精度越高，則所需存儲(chǔ)空間越大。
6．2 隨動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)分析
    轉(zhuǎn)速控制精度取決于變頻器的多檔速控制位數(shù)，三位控制端具有0～7八檔速控制，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速具有慣性，采用PID控制算法的實(shí)驗(yàn)表明：若主動(dòng)電機(jī)的變速平緩，則隨動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨作用十分明顯；若主動(dòng)電機(jī)的變速劇烈，則隨動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨稍顯滯后，并在給定值左右小幅短時(shí)擺動(dòng)。采用最少拍控制算法，則隨動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速跟隨的實(shí)時(shí)性好，主從電機(jī)轉(zhuǎn)速差異采用行程累積偏差表示，兩種控制算法在雙輪雙軌行程檢測(cè)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PID控制平均誤差為：4mm／10m；最少拍控制平均誤差為：1mm／10m。
    有關(guān)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制器的電原理圖、PCB板設(shè)計(jì)圖；雙電機(jī)隨動(dòng)控制程序；轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向檢測(cè)程序；單片機(jī)控制器通信程序都將另著文論述。