[align=center]西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 鄧耀初 高馳名 吳星榮 西安應(yīng)用光學(xué)研究所 劉亞琴[/align] 介紹了音圈電機(jī)的原理和特性，提出使用高速DSP來控制音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)、高速度、高頻率、高精度的運(yùn)動(dòng)，并介紹了PID控制算法的原理和應(yīng)用，具有較強(qiáng)的通用性。 1 引言 音圈電機(jī)（Voice Coil Actuator）是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能將電能直接轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。其原理是:在均勻氣隙磁場(chǎng)中放入一圓筒狀繞組，繞組通電產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變電流的強(qiáng)弱和極性，就可改變電磁力的大小和方向。因此音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)形式可以為直線或者圓弧。其具有高響應(yīng)、高速度、高加速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、力特性好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著音圈電機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，音圈電機(jī)被廣泛用在精密定位系統(tǒng)和許多不同形式的高加速、高頻激勵(lì)、快速和高精度定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。 TMS320LF2407是一款由TI公司生產(chǎn)的新型16位定點(diǎn)DSP芯片，它是TI專為電機(jī)的數(shù)字化控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款低成本、低功耗、高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，指令周期為33ns，其內(nèi)部集成了前端采樣AD轉(zhuǎn)換器，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)可簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。本文將DSP應(yīng)用于音圈電機(jī)的控制中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID控制，不但提高了系統(tǒng)的集成度，而且可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，提高了伺服系統(tǒng)的性能，具有較強(qiáng)的通用性，可根據(jù)需要用于許多不同的場(chǎng)合。 2 音圈電機(jī)的原理 音圈電機(jī)的工作原理是依據(jù)安培力原理,即通電導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中,就會(huì)產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場(chǎng)強(qiáng)弱B，電流I，以及磁場(chǎng)和電流的方向。如果共有長(zhǎng)度為L(zhǎng)的N根導(dǎo)線放在磁場(chǎng)中，則作用在導(dǎo)線上的力可表示為 式中k為常數(shù)。 由圖1可知，力的方向是電流方向和磁場(chǎng)向量的函數(shù),是二者的相互作用。如果磁場(chǎng)和導(dǎo)線長(zhǎng)度為常量，則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例。在最簡(jiǎn)單的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)形式中，直線音圈電機(jī)就是位于徑向電磁場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)管狀線圈繞組。鐵磁圓筒內(nèi)部是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這樣的布置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性。鐵磁材料的內(nèi)芯配置在線圈軸向中心線上，與永久磁體的一端相連，用來形成磁回路。當(dāng)給線圈通電時(shí)，根據(jù)安培力原理，它受到磁場(chǎng)作用，在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力。通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向。 3 PID控制算法的數(shù)字化 在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用最廣泛的控制器，理想PID控制算法的模擬表達(dá)式為 式中：e（t）—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于給定值與測(cè)量值之差 K[sub]p[/sub]—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) T[sub]I[/sub]—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，越大，積分速度越慢，積分作用越弱 T[sub]D[/sub]—調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 PID控制器各校正環(huán)節(jié)如下： 比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T[sub]I[/sub]，T[sub]I[/sub]越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法 數(shù)字位置式PID控制算法： 式中：k—采樣序號(hào)，k=0，1，2… u（k） —第k次采樣時(shí)刻的輸出值 e（k） —第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值 e（k-1） —第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值 K[sub]I[/sub]—積分系數(shù)，K[sub]I[/sub]=K[sub]P[/sub]T/T[sub]I[/sub] K[sub]D[/sub]—微分系數(shù)，K[sub]D[/sub]=K[sub]P[/sub]T[sub]D[/sub]/T 數(shù)字增量式PID控制算法： 在普通的數(shù)字PID控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分累積，致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。其具體實(shí)現(xiàn)如下： （1） 根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一閥值ε>0。 （2） 當(dāng)時(shí)，采用PID控制（將K[sub]I[/sub]設(shè)為0），可避免較大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的相應(yīng)。 （3） 當(dāng)時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。 因此，在實(shí)際工程中經(jīng)常使用積分分離PID控制算法。 4 工程應(yīng)用 在工程應(yīng)用中，采用TMS320LF2407來實(shí)現(xiàn)對(duì)音圈電機(jī)的控制，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)置檢測(cè)裝置，采樣檢測(cè)出實(shí)際輸出量，然后將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并送入DSP中，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值與給定值進(jìn)行比較，求得兩者之差，即系統(tǒng)的偏差，再將此偏差代入積分分離式PID控制算法中進(jìn)行運(yùn)算，一般情況下，DSP能很快求出系統(tǒng)的輸出值，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性在很大程度上取決于控制算法的精簡(jiǎn)程度。圖2為原理圖。 在工程應(yīng)用中，PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是湊試法，在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)： 增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時(shí)間I有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。 增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小（一般縮小為原值的0.8），然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間D設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。 5 結(jié)束語 本文介紹了使用高速DSP對(duì)音圈電機(jī)進(jìn)行控制的方法，以及PID控制算法的原理和應(yīng)用。DSP和音圈電機(jī)組成的系統(tǒng)具有高頻率、高響應(yīng)、高精度的特點(diǎn)，具有較高的通用性，可根據(jù)不同場(chǎng)合的需要，對(duì)其稍加改動(dòng)即可投入使用，因此在工程應(yīng)用中，有較高的實(shí)用意義。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集