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                                                                                            {$news_pic$}

                                                                                            交流伺服驅動器的控制結構及基本整定

                                                                                            發表時間:2021-09-03 文章出處:北京北成新控伺服技術有限公司人氣:-





                                                                                            伺服驅動器要實現精確的電機控制,有兩種常見的控制結構。

                                                                                            三環嵌套結構:從內到外分別是電流環,速度環和位置環如圖1所示:


                                                                                            圖1:三環嵌套結構

                                                                                            1.webp.jpg


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                                                                                            在三環嵌套的結構上去掉速度環,如圖2所示:

                                                                                            圖2:雙環控制結構


                                                                                            2.webp.jpg


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                                                                                            雙環控制結構介紹

                                                                                            雙環結構具有位置跟蹤精度高、頻響高,高頻噪音抑制能力強、參數整定簡單等優點。但與三環結構相比,相位裕度相對較低,其穩定性較差,無法對速度進行直接控制。

                                                                                            雙環結構是在三環嵌套機構上發展而來,三環結構去掉速度環后,相位滯后嚴重,相位裕度小于零,控制處于失穩狀態。需要串入相位超前環節,以補償失穩狀態。

                                                                                            補償失穩后,抗高頻噪聲干擾能力降低。需要再加入高階低通環節,以提升抗高頻噪聲抑制能力。

                                                                                            衡量伺服控制性能的三個維度是軌跡跟蹤能力、噪音抑制能力和穩定性。對雙環進行優化后,跟三環控制結構比較,其軌跡跟蹤能力和噪音抑制能力都得到了增強,但穩定性有所降低。同時,由于去除了速度環,帶寬頻響明顯提高,比三環結構提高約50%。 



                                                                                            三環嵌套結構簡介

                                                                                            三環結構常見的兩種控制策略是PI-P-PI和P-PI-PI。

                                                                                            PI-P-PI控制策略

                                                                                            在這種控制策略中,電流和位置環采用比例積分調節,速度環采用比例調節。位置環采用PI的好處是,軌跡跟蹤能力強,動態跟蹤可自動消除斜坡指令的跟蹤誤差,不需要前饋環節。這種策略的缺點是會產生定位超調。位置控制要求在不產生抖震的前提下的零超調,這是伺服控制的本質。

                                                                                            從控制理論的角度,這種控制策略的開環傳遞函數有兩個積分器,是一個II型系統,不用前饋即可自動抵消動態跟蹤誤差。

                                                                                             P-PI-PI控制策略

                                                                                            這種控制策略中,位置環采用比例調節,速度和電流環采用比例積分調節,這也是最常采用的PID控制策略。這種控制策略的開環傳遞函數只有一個積分器,是一個I型系統??杀WC階躍信號零誤差,但斜坡信號和加速度指令都一定會產生穩態誤差,甚至跟蹤誤差會逐漸增大。因此,一般在這種控制策略上,經常需要加入前饋環節,以消除運動過程中的動態跟蹤誤差。ABB的伺服驅動器即是這種帶前饋控制的三環嵌套結構,其三個環采用P-PI-PI策略。如圖3所示:

                                                                                            圖3:帶前饋的三環嵌套結構 


                                                                                            3.webp.jpg


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                                                                                            速度環整定

                                                                                            速度環的整定,主要分析實際速度曲線和給定速度曲線,保證速度響應,沒有明顯的速度過沖,且沒有震蕩。

                                                                                            速度環采用PI策略,因此,速度環一般調整KVPROP和KVINT。KVPORP給速度曲線引入阻尼項,可抑制速度過沖,KVINT可提升速度響應。

                                                                                            測試條件:

                                                                                            速度=20r/s,

                                                                                            距離=5r

                                                                                            加減速時間=100ms

                                                                                            定性分析,固定KVINT=200,更改KVPORP時,觀察其曲線,如圖4所示:

                                                                                            圖4:比例增益對速度環的作用 


                                                                                            4.webp.jpg


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                                                                                            再次定性分析,固定KVPROP=2.5,更改KVINT時,觀察其曲線,如圖5所示:

                                                                                            圖5:積分增益對速度環的作用 


                                                                                            5.webp.jpg


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                                                                                            整定開始時,需判斷當前的主要矛盾是過沖還是跟隨滯后,然后確定初始調整的參數。交替調整PI參數,直至獲得較滿意的速度環整定效果。



                                                                                            位置環的整定

                                                                                            依據P-PI-PI策略,位置環只有比例系數可以整定。但帶前饋的三環控制結構,在位置環引入了速度前饋和加速度前饋。因此除了KPROP比例參數外,還有速度前饋KVELFF和加速度前饋KACCEL兩個前饋項可以整定。

                                                                                            位置環,主要觀察的參數是跟隨誤差。相對于伺服軸的位置值,跟隨誤差是個很小的數值,一般把跟隨誤差用單獨的Y軸顯示,如圖6所示:

                                                                                            圖6:位置環曲線


                                                                                            6.webp.jpg


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                                                                                            在整定時,可逐漸增加KPROP,以降低跟隨誤差的峰值和寬度,同時降低伺服軸的停止時的穩定時間。當開始有震蕩傾向時,再次降低KPROP,以獲取最小的跟隨誤差幅值。如下圖所示,當KPROP從0.26增大到0.5時,最大跟隨誤差從0.006r降低到0.005r左右,但KPROP=0.5時,跟隨誤差有震蕩傾向,如圖7所示:

                                                                                            圖7:比例增益對跟隨誤差的作用

                                                                                             7.webp.jpg


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                                                                                            一般情況下,速度前饋即KVELFF參數不用調整,只需關心加速度前饋KACCEL。加速度前饋可以從0.1開始逐漸增加,可以增大到200甚至更高。當跟隨誤差曲線有再次變大的傾向時,降低KACCEL參數。

                                                                                            如下圖,在KPROP=0.25時,把KACCEL設為90時,最大跟隨誤差降低到0.002r,即0.72度左右,如圖8所示:

                                                                                            圖8:加速度前饋對跟隨誤差的作用


                                                                                            8.webp.jpg


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                                                                                            ABB伺服驅動器的位置環,可以設置在定位結束時投入積分器,以期在運動停止時,消除跟蹤誤差。在運動過程中,高增益會引起系統的不穩定,特別是積分增益。常用的辦法是使用選擇性積分,即僅當定位時才投入積分器,以使積分器消除任何剩余的誤差。





                                                                                            伺服環的算法,是非常復雜的,涉及很多理論模型和控制理論。本文未介紹理論公式,僅從實踐和經驗的角度,對工作心得做定性的梳理和總結……



                                                                                            上一篇 返回列表 最后一篇
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