交流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)[1]。其中交流伺服系統(tǒng)在機(jī)器人與操作機(jī)械手的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)以及精密數(shù)控機(jī)床等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。交流伺服系統(tǒng)由交流電動(dòng)機(jī)組成，交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)字模型不是簡(jiǎn)單的線性模型，而具有非線性、時(shí)變、耦合等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的基于對(duì)象模型的控制方法難以進(jìn)行有效的控制。對(duì)于交流伺服系統(tǒng)的性能，一方面要求快速跟蹤性能好，即要求系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)快，跟蹤誤差小，過渡時(shí)間短，且無超調(diào)或超調(diào)小，振蕩次數(shù)少。另一方面，要求穩(wěn)態(tài)精度高，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，定位精度高。在交流伺服控制中，常規(guī)控制方法普遍是以pid控制為基礎(chǔ)，然而單純的pid控制存在超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，控制效率低等缺點(diǎn)，而且其參數(shù)的選取比較困難[2-4]。在普通的pid控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。如果在誤差較大的初始階段引入積分環(huán)節(jié)，會(huì)造成pid的積分累積，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)[3，4]。因此，本文針對(duì)pid控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種積分分離的控制方法，即當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)，避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào);當(dāng)系統(tǒng)誤差較小時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)，以消除誤差，提高控制精度。將這種積分分離pid控制應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的位置實(shí)時(shí)控制，從而使控制過程的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較為理想。

　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　積分分離pid控制交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中θd為給定角位移，θ為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角位移，e為θd和θ進(jìn)行比較而得到的偏差，則有：

　　u為pid控制的轉(zhuǎn)速期望值;ωd為期望電機(jī)轉(zhuǎn)速;ω為實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速;ωd與ω的偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生期望的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩td由于內(nèi)環(huán)的不足可由外環(huán)控制來彌補(bǔ)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用一般的pi調(diào)節(jié)器即可，而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制則采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法。

　　3 積分分離pid控制器

　　pid控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)大多數(shù)過程均有較好的控制效果。其離散pid控制規(guī)律為：

　　式中，u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出量;kp，ki，kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù);e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的交流伺服系統(tǒng)的位置與期望值之差;e(k-1)為上次采樣時(shí)刻的交流伺服系統(tǒng)的位置與期望值之差。

　　由式(2)可得到控制器輸出第k個(gè)周期時(shí)刻的控制量u(k)和第k-1個(gè)周期時(shí)刻的控制量u(k-1)之間的增量為：

　　在pid控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。如果在誤差較大的初始階段引入積分環(huán)節(jié)，會(huì)造成：pid的積分累積，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。

　　式中，ε>0為人為設(shè)定的閾值。

　　積分分離控制算法可表示為：

　　式中，t為采樣時(shí)間，a為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，即：

　　4 實(shí)驗(yàn)研究

　　用于實(shí)驗(yàn)的交流電機(jī)參數(shù)為pn=2.2 kw，un=220 v，in=5 a，nn=1 440 r/min，r1=2.91 ω，r2=3.04 ω，is=0.456 94 h，ir=0.456 94 h，im=o.444 27 h，ten=14 n·m，np=2，j=0.002 276 kg·m2，ψn=o.96 wb。數(shù)字控制采樣頻率為10 khz。如圖3所示為系統(tǒng)在空載情況下轉(zhuǎn)角的階躍響應(yīng)曲線，曲線1為單純的pid控制下的響應(yīng)曲線，曲線2為積分分離pid控制下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。圖4給出當(dāng)系統(tǒng)處在轉(zhuǎn)角為1 rad的穩(wěn)定狀態(tài)下，給電機(jī)突加5 n·m負(fù)載后系統(tǒng)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線。由圖4可以看出，單純的pid控制的擾動(dòng)響應(yīng)較慢，而積分分離pid控制則能對(duì)負(fù)載的變化做出及時(shí)的反應(yīng)。

　　通過實(shí)驗(yàn)表明，積分分離pid控制充分發(fā)揮了pid控制調(diào)節(jié)精度高的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的控制精度。

　5 結(jié)語

　　本文提出了一種基于積分分離pid控制的交流伺服系統(tǒng)，在系統(tǒng)誤差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié);當(dāng)誤差較小時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較為理