[align=center]西安電子科技大學機電工程學院 鄧耀初 高馳名 吳星榮 西安應用光學研究所 劉亞琴[/align] 介紹了音圈電機的原理和特性，提出使用高速DSP來控制音圈電機實現高響應、高速度、高頻率、高精度的運動，并介紹了PID控制算法的原理和應用，具有較強的通用性。 1 引言 音圈電機（Voice Coil Actuator）是一種特殊形式的直接驅動電機，能將電能直接轉化成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。其原理是:在均勻氣隙磁場中放入一圓筒狀繞組，繞組通電產生電磁力帶動負載作直線往復運動，改變電流的強弱和極性，就可改變電磁力的大小和方向。因此音圈電機運動形式可以為直線或者圓弧。其具有高響應、高速度、高加速度、結構簡單、體積小、力特性好、控制方便等優點。近年來，隨著音圈電機技術的迅速發展，音圈電機被廣泛用在精密定位系統和許多不同形式的高加速、高頻激勵、快速和高精度定位運動系統中。 TMS320LF2407是一款由TI公司生產的新型16位定點DSP芯片，它是TI專為電機的數字化控制應用而設計的一款低成本、低功耗、高性能的數字信號處理器，指令周期為33ns，其內部集成了前端采樣AD轉換器，在滿足系統實時性要求的同時可簡化硬件電路設計。本文將DSP應用于音圈電機的控制中，實現了數字PID控制，不但提高了系統的集成度，而且可實現各種復雜的控制算法，提高了伺服系統的性能，具有較強的通用性，可根據需要用于許多不同的場合。 2 音圈電機的原理 音圈電機的工作原理是依據安培力原理,即通電導體放在磁場中,就會產生力F，力的大小取決于磁場強弱B，電流I，以及磁場和電流的方向。如果共有長度為L的N根導線放在磁場中，則作用在導線上的力可表示為 式中k為常數。 由圖1可知，力的方向是電流方向和磁場向量的函數,是二者的相互作用。如果磁場和導線長度為常量，則產生的力與輸入電流成比例。在最簡單的音圈電機結構形式中，直線音圈電機就是位于徑向電磁場內的一個管狀線圈繞組。鐵磁圓筒內部是由永久磁鐵產生的磁場，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。當給線圈通電時，根據安培力原理，它受到磁場作用，在線圈和磁體之間產生沿軸線方向的力。通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向。 3 PID控制算法的數字化 在現代工業控制系統中，PID調節器是一種應用最廣泛的控制器，理想PID控制算法的模擬表達式為 式中：e（t）—調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差 K[sub]p[/sub]—調節器的比例系數 T[sub]I[/sub]—調節器的積分時間常數，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]—調節器的微分時間 PID控制器各校正環節如下： 比例環節：即時成比例地反映控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。 積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數T[sub]I[/sub]，T[sub]I[/sub]越大積分作用越弱，反之則越強。 微分環節：能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。 在計算機控制系統中，使用的是數字PID控制器，數字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 數字位置式PID控制算法： 式中：k—采樣序號，k=0，1，2… u（k） —第k次采樣時刻的輸出值 e（k） —第k次采樣時刻輸入的偏差值 e（k-1） —第k-1次采樣時刻輸入的偏差值 K[sub]I[/sub]—積分系數，K[sub]I[/sub]=K[sub]P[/sub]T/T[sub]I[/sub] K[sub]D[/sub]—微分系數，K[sub]D[/sub]=K[sub]P[/sub]T[sub]D[/sub]/T 數字增量式PID控制算法： 在普通的數字PID控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分累積，致使算得的控制量超過執行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的振蕩。引進積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調量，使得控制性能有了較大的改善。其具體實現如下： （1） 根據實際情況，人為設定一閥值ε>0。 （2） 當時，采用PID控制（將K[sub]I[/sub]設為0），可避免較大的超調，又使系統有較快的相應。 （3） 當時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。 因此，在實際工程中經常使用積分分離PID控制算法。 4 工程應用 在工程應用中，采用TMS320LF2407來實現對音圈電機的控制，根據不同的應用場合，設置檢測裝置，采樣檢測出實際輸出量，然后將其進行A/D轉換并送入DSP中，將轉換后的數字值與給定值進行比較，求得兩者之差，即系統的偏差，再將此偏差代入積分分離式PID控制算法中進行運算，一般情況下，DSP能很快求出系統的輸出值，并進行D/A轉換后驅動音圈電機運動。系統的實時性在很大程度上取決于控制算法的精簡程度。圖2為原理圖。 在工程應用中，PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是湊試法，在實際的應用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數： 增大比例系數P一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數會使系統有比較大的超調，并產生振蕩，使穩定性變壞。 增大積分時間I有利于減小超調，減小振蕩，使系統的穩定性增加，但是系統靜差消除時間變長。 增大微分時間D有利于加快系統的響應速度，使系統超調量減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱。 在湊試時，可參考以上參數對系統控制過程的影響趨勢，對參數調整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數由小變大，并觀察相應的系統響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統沒有靜差或靜差已經小到允許范圍內，并且對響應曲線已經滿意，則只需要比例調節器即可。如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環節。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經調節好的比例系數略為縮小（一般縮小為原值的0.8），然后減小積分時間，使得系統在保持良好動態性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據系統的響應曲線的好壞反復改變比例系數和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整定參數。如果在上述調整過程中對系統的動態過程反復調整還不能得到滿意的結果，則可以加入微分環節。首先把微分時間D設置為0，在上述基礎上逐漸增加微分時間，同時相應的改變比例系數和積分時間，逐步湊試，直至得到滿意的調節效果。 5 結束語 本文介紹了使用高速DSP對音圈電機進行控制的方法，以及PID控制算法的原理和應用。DSP和音圈電機組成的系統具有高頻率、高響應、高精度的特點，具有較高的通用性，可根據不同場合的需要，對其稍加改動即可投入使用，因此在工程應用中，有較高的實用意義。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集