數字控制是指控制系統中發出的信號是脈沖信號。數字式全閉環伺服控制系統是一種同時具有位置控制和速度控制兩種功能的反饋控制系統。控制單元發出的指定位置值與位置檢測值的差值就是位置誤差，它反映的實際位置總是滯后于指定位置值。位置誤差經處理后作為速度控制量控制進給電機的旋轉，使實際位置也以此速度變化，而且實際位置始終跟隨指定位置，當指定位置停止變化時，實際位置等于指定位置。數字控制系統的優點是，由于采用數字信號，抗干擾能力強；應用系統簡單，易于開發；系統穩定性好。

    傳統的交流伺服系統是典型的速度閉環系統，伺服驅動器從主控制系統接收電壓變化范圍為-Ui～+Ui的速度指令信號。電壓從-Ui變化到+Ui的過程中，伺服電機可實現從反轉最高速上升到零，然后再上升到正轉最高速。但是，這種交流伺服系統只能實現對速度的閉環控制，還不能直接實現對位置的閉環控制。要實現對位置的閉環控制，必須在伺服電機和控制系統之間構成一個位置環。

    運動控制算法

    這個位置環是由數字伺服控制單元來完成的。位置環的功能是實現位置閉環控制，輸入脈沖實際上是一個差動脈沖，即由預先設定好的脈沖給定與反饋回的實際測量脈沖的差值，即根據給定位置和測量位置以及動態的誤差，計算所要求要達到的速度參考，并將其提供給伺服驅動單元。如圖1所示為數字伺服控制單元的運動控制算法框圖：

 

圖1 數字伺服控制單元的運動控制算法

    整個數字伺服控制系統是靠實時監控和調整速度參數，即伺服驅動單元的輸入脈沖來控制伺服馬達。而運動控制算法用來計算這個速度參數。由圖1，可以看出速度參數是由位置給定、測量脈沖和反饋誤差這3個參數來決定的。另外，5個增益參數Kp、Ki、Kd、Kov和Kvff定義了不同的控制模式下的位置控制操作。

    比例增益Kp可以產生一個輸出Op，任何控制模式都要用到比例增益Kp，它是與反饋誤差E成正比的，即:

Op＝Kp×E (1)

積分增益Ki產生的輸出Oi與誤差E的總和成正比，

即 Oi＝KI×ΔE(2)

    由于積分增益調節容易造成超出調節范圍，所以一般只有系統工作在恒定速度狀態或者慢加速的情況下才用到它。

    Od是由微分增益Kd計算得出，它反映了反饋誤差脈沖的變化。

即 Od＝Kd×ΔE(3)

    微分增益調節可以產生一個平滑的響應，但在增益較高時會產生振動。

    速度輸出增益Kov產生的輸出Oov是與測量位置Pm的改變成比例的，它能夠增強系統的阻尼特性。

即 Oov＝Kov×ΔPm (4)

    速度前饋增益Kvff產生的輸出Ovff是與給定位置Pd的改變成比例的。

即 Ovff＝Kvff×ΔPd (5)

    控制算法的實現

    控制流程圖

    據上述運動控制算法的分析，利用C語言設計、編制了全閉環運動控制的測試程序。具體的控制流程圖如圖2。

 

圖2 控制流程圖

    為了增強系統的穩定性，位置增量采取限幅處理，因為位置增量過大不利于安全操作和系統的穩定，而輸出限幅處理是為了在位置設定值突變時，防止計算結果可能大于執行機構的極限。

    程序調試

    在程序調試過程中，有3個參數要精確調整：

    ·比例環節的Kp參數影響系統動作的靈敏度及控制的穩態精度，增大Kp的值有利于減少穩態誤差，提高直線電機的控制精度，但隨著Kp的增大，則系統將不穩定;

    ·積分環節的Ki參數用于控制系統的穩態誤差，Ki若設置得太小，振蕩次數將增多。若設置得太大，不利于消除系統的穩態誤差，難以獲得較高的控制精度；

    ·對Kd設置得偏大或偏小時，都使系統的超調增加，調節時間加長，不利于系統的穩定。

    另外，還可以把開環控制和閉環控制結合起來使用，也就是在閉環控制回路基礎上，附加一個輸入信號(給定或擾動)的順饋通路，對該信號實行加強或補償。以達到精確的控制效果。由于篇幅的關系，在這里就不詳細介紹了。

結束語

    文章對全數字伺服控制單元的插補控制算法進行了闡述和分析，研究并編程實現了一種新的基于全數字伺服控制單元的插補控制算法。由于用軟件編程方法實現該插補控制算法，參數變化十分靈活，因而可以獲得廣泛的應用。該算法已經成功應用于工程中，并得到客戶的一致好評，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。