本發(fā)明涉及一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)及控制方法，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

pid算法控制結(jié)構(gòu)簡單,魯棒性強，因此在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。相比較模擬pid調(diào)節(jié)器,數(shù)字化pid調(diào)節(jié)器具有更大的靈活性。

基于pid調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)中由于積分器的存在，控制量的超調(diào)往往是不可回避的問題，在位置控制系統(tǒng)中，受到速度最大值限定的非線性因素影響，當位置控制系統(tǒng)大范圍調(diào)轉(zhuǎn)時，位置超調(diào)量的絕對值較大，不僅使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的主要原因，也使定位控制動態(tài)過程加長。

在數(shù)字pid中，可以較為方便控制積分的值，進而減小或消除因積分器的存在導(dǎo)致的超調(diào)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)及控制方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)，包括控制器、電機驅(qū)動器、直驅(qū)電機、位置傳感器和轉(zhuǎn)臺；控制器完成轉(zhuǎn)臺的位置控制，并將速度指令通過與電機驅(qū)動器之間的現(xiàn)場總線接口傳輸給電機驅(qū)動器，完成直驅(qū)電機的速度控制；直驅(qū)電機輸出軸的一端與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸相連，帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動；直驅(qū)電機輸出軸的另一端與位置傳感器相連，實現(xiàn)直驅(qū)電機的位置檢測，位置傳感器檢測的直驅(qū)電機軸位置信息通過與控制器之間的位置傳感器接口傳輸給控制器。

所述的控制器包括處理器、現(xiàn)場總線接口、上位機接口和位置傳感器接口；所述的處理器通過上位機接口接收位置給定（位置控制目標指令），通過位置傳感器接口接收轉(zhuǎn)臺位置反饋（實際位置信息），在處理器中完成位置控制算法，并通過現(xiàn)場總線接口將速度指令輸出到電機驅(qū)動器；所述的處理器為dsp或arm或plc，可根據(jù)實際情況具體選擇。

所述的處理器中的位置控制算法包括位置給定、位置反饋、u(k)函數(shù)、u(k-1)函數(shù)、速度指令約束函數(shù)和速度指令。比例積分調(diào)節(jié)器的函數(shù)如式（1）：

（1）

其中：-比例系數(shù)

–積分系數(shù)；

u(k)-第k次采樣時刻比例積分調(diào)節(jié)器輸出

e(k)-第k次采樣位置誤差

式（1）中為第k次采樣后所有位置誤差的和與積分系數(shù)的乘積，即為比例積分調(diào)節(jié)器的積分器，在誤差方向沒有改變的情況下，積分器值符號不會改變，這是比例積分調(diào)節(jié)器控制時必然產(chǎn)生超調(diào)的原因，尤其是在大范圍定位控制中超調(diào)量的絕對值較大。

為實現(xiàn)減小大范圍位置定位時的超調(diào)量，本發(fā)明u(k)函數(shù)采用式（2）函數(shù)代替式（1）中u(k)函數(shù)：

（2）

分別為本次采樣周期位置誤差（即第k次采樣誤差）和上次采樣周期位置誤差（即第k-1次采樣誤差），的初始值為0，是函數(shù)的計算結(jié)果，在完成u(k)函數(shù)計算后依據(jù)u(k)函數(shù)的結(jié)果進行計算；為兩種計算誤差分界值，一般取的最大位置誤差（對于轉(zhuǎn)臺，其最大誤差為180度）；為直驅(qū)電機的最大轉(zhuǎn)速值；初始化計算時，取。

當?shù)?i>k次位置誤差絕對值時，；

當?shù)?i>k次位置誤差絕對值時，；

通過這種分段控制方式，可以保證在不同的大范圍定位時，最終超調(diào)量的一致性。

所述的函數(shù)式（3）：

（3）

當時，

當時，

當時，

特別地，設(shè)置系數(shù)，取值范圍1.0~10.0，具備的特性是：值小，則控制響應(yīng)快，但超調(diào)量大，值大，則控制響應(yīng)減慢，超調(diào)量減小，因此值整定時根據(jù)系統(tǒng)實際需求確定；通過對最大值限制，達到控制式（1）中積分器的值，當大范圍位置定位時（不失一般性，假設(shè)初始位置誤差為正值），定位開始時時，采用計算的值；當位置誤差時（此時轉(zhuǎn)臺位置反饋值接近位置給定值），采用計算的值，此時積分器開始積分控制，通過式（3）對進行了適當限定，積分器可以從負值開始積分，從而實現(xiàn)減小大范圍定位時的超調(diào)量。

所述的速度指令約束函數(shù)計算如式（4），實現(xiàn)對速度指令的最大值限制。

（4）

即當時，；

當時，；

當時，。

一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)的控制方法，包括控制參數(shù)整定，所述的控制參數(shù)整定包括以下步驟：

（1）控制位置給定值，使，按常規(guī)方法完成、參數(shù)整定；

（2）整定值，首先取；

（3）控制位置給定值，使；

（4）查看超調(diào)量是否小于期望值，如大于期望值，值增加0.1，轉(zhuǎn)到步驟（3）；

（5）完成參數(shù)整定。

本發(fā)明所達到的有益效果：

（1）、本發(fā)明的系統(tǒng)通過采樣直驅(qū)電機帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，去除了機械減速箱的齒輪傳動，不存在傳動鏈齒隙，因而可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的高精度位置控制；

（2）、本發(fā)明的系統(tǒng)在大范圍角度定位時，通過誤差分段控制和最后定位階段的積分器積分起點值控制，達到有效控制超調(diào)量的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的組成示意圖；

圖2是本發(fā)明的控制器組成示意圖；

圖3是本發(fā)明的的位置控制算法示意圖；

圖4是本發(fā)明的位置控制算法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1所示，一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)，包括控制器、電機驅(qū)動器、直驅(qū)電機、位置傳感器和轉(zhuǎn)臺；控制器完成轉(zhuǎn)臺的位置控制，并將速度指令通過與電機驅(qū)動器之間的現(xiàn)場總線接口傳輸給電機驅(qū)動器，完成直驅(qū)電機的速度控制；直驅(qū)電機輸出軸的一端與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸相連，帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動；直驅(qū)電機輸出軸的另一端與位置傳感器相連，實現(xiàn)直驅(qū)電機的位置檢測，位置傳感器檢測的直驅(qū)電機軸位置信息通過與控制器之間的位置傳感器接口傳輸給控制器。

如圖2所示，所述的控制器包括處理器（實際情況可選擇dsp、arm或plc作為處理器,本實例選擇arm）、現(xiàn)場總線接口(本實例選擇can總線接口)、上位機接口（本實例選擇uart接口）和位置傳感器接口(本實例選擇ssi)。所述的處理器通過上位機接口接收位置給定（位置控制目標指令），通過位置傳感器接口接收轉(zhuǎn)臺位置反饋（實際位置信息），在處理器中完成位置控制算法，并通過現(xiàn)場總線接口將速度指令輸出到電機驅(qū)動器。

如圖3所示，所述的處理器中的位置控制算法包括位置給定、位置反饋、u(k)函數(shù)、u(k-1)函數(shù)、速度指令約束函數(shù)和速度指令等。比例積分調(diào)節(jié)器的函數(shù)如式（1）：

（1）

其中：-比例系數(shù)

–積分系數(shù)；

u(k)-第k次采樣時刻比例積分調(diào)節(jié)器輸出

e(k)-第k次采樣位置誤差

式（1）中為第k次采樣后所有位置誤差的和與積分系數(shù)的乘積，即為比例積分調(diào)節(jié)器的積分器，在誤差方向沒有改變的情況下，積分器值符號不會改變，這是比例積分調(diào)節(jié)器控制時必然產(chǎn)生超調(diào)的原因，尤其是在大范圍定位控制中超調(diào)量的絕對值較大。

圖4為直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)的位置控制算法流程圖，分別為本次采樣周期位置誤差（即第k次采樣誤差）和上次采樣周期位置誤差（即第k-1次采樣誤差），的初始值為0，是函數(shù)的計算結(jié)果，在完成u(k)函數(shù)計算后依據(jù)u(k)函數(shù)的結(jié)果進行計算；為兩種計算誤差分界值，一般取的最大位置誤差（對于轉(zhuǎn)臺，其最大誤差為180度）；為直驅(qū)電機的最大轉(zhuǎn)速值；初始化計算時，取。

為實現(xiàn)減小大范圍位置定位時的超調(diào)量，本發(fā)明采用式（2）函數(shù)代替式（1）中u(k)的計算函數(shù)：

（2）

即當?shù)?i>k次位置誤差絕對值時，；

當?shù)?i>k次位置誤差絕對值時，；

通過這種分段控制方式，可以保證在不同的大范圍定位時，最終超調(diào)量的一致性。

所述的函數(shù)如式（3）：

（3）

當時，

當時，

當時，

特別地，設(shè)置系數(shù)，取值范圍1.0~10.0，具備的特性是：值小，則控制響應(yīng)快，但超調(diào)量大，值大，則控制響應(yīng)減慢，超調(diào)量減小，因此值整定時根據(jù)系統(tǒng)實際需求確定；通過對最大值限制，達到控制式（1）中積分器的值，當大范圍位置定位時（不失一般性，假設(shè)初始位置誤差為正值），定位開始時時，采用計算的值；當位置誤差時（此時轉(zhuǎn)臺位置反饋值接近位置給定值），采用計算的值，此時積分器開始積分控制，通過式（3）對進行了適當限定，積分器可以從負值開始積分，從而實現(xiàn)減小大范圍定位時的超調(diào)量。

所述的速度指令約束函數(shù)計算如式（4），實現(xiàn)對速度指令的最大值限制。

（4）

即當時，；

當時，；

當時，。

一種直驅(qū)轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)的控制方法，包括控制參數(shù)整定，所述的控制參數(shù)整定包括以下步驟：

（1）控制位置給定值，使，按常規(guī)方法完成、參數(shù)整定；

（2）整定值，首先取；

（3）控制位置給定值，使；

（4）查看超調(diào)量是否小于期望值，如大于期望值，值增加0.1，轉(zhuǎn)到步驟（3）；

（5）完成參數(shù)整定。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。