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交流伺服驱动器的控制结构及基本整定

发表时间:2021-09-03 文章出处:北京北成新控伺服技术有限公司人气:-





伺服驱动器要实现精确的电机控制,有两种常见的控制结构。

三环嵌套结构:从内到外分别是电流环,速度环和位置环如图1所示:


图1:三环嵌套结构

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双环控制结构:

在三环嵌套的结构上去掉速度环,如图2所示:

图2:双环控制结构


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目前有的伺服驱动器产品,可在这两种控制策略之间切换,如ABB的伺服驱动器。通过CONFIG参数,当CONFIG(0)=_cfSERVO时,选择为传统的三环嵌套结构。当CONFIG(0)=_cfTORQUE_SERVO时,选择为双环控制结构。 



双环控制结构介绍

双环结构具有位置跟踪精度高、频响高,高频噪音抑制能力强、参数整定简单等优点。但与三环结构相比,相位裕度相对较低,其稳定性较差,无法对速度进行直接控制。

双环结构是在三环嵌套机构上发展而来,三环结构去掉速度环后,相位滞后严重,相位裕度小于零,控制处于失稳状态。需要串入相位超前环节,以补偿失稳状态。

补偿失稳后,抗高频噪声干扰能力降低。需要再加入高阶低通环节,以提升抗高频噪声抑制能力。

衡量伺服控制性能的三个维度是轨迹跟踪能力、噪音抑制能力和稳定性。对双环进行优化后,跟三环控制结构比较,其轨迹跟踪能力和噪音抑制能力都得到了增强,但稳定性有所降低。同时,由于去除了速度环,带宽频响明显提高,比三环结构提高约50%。 



三环嵌套结构简介

三环结构常见的两种控制策略是PI-P-PI和P-PI-PI。

PI-P-PI控制策略

在这种控制策略中,电流和位置环采用比例积分调节,速度环采用比例调节。位置环采用PI的好处是,轨迹跟踪能力强,动态跟踪可自动消除斜坡指令的跟踪误差,不需要前馈环节。这种策略的缺点是会产生定位超调。位置控制要求在不产生抖震的前提下的零超调,这是伺服控制的本质。

从控制理论的角度,这种控制策略的开环传递函数有两个积分器,是一个II型系统,不用前馈即可自动抵消动态跟踪误差。

 P-PI-PI控制策略

这种控制策略中,位置环采用比例调节,速度和电流环采用比例积分调节,这也是最常采用的PID控制策略。这种控制策略的开环传递函数只有一个积分器,是一个I型系统。可保证阶跃信号零误差,但斜坡信号和加速度指令都一定会产生稳态误差,甚至跟踪误差会逐渐增大。因此,一般在这种控制策略上,经常需要加入前馈环节,以消除运动过程中的动态跟踪误差。ABB的伺服驱动器即是这种带前馈控制的三环嵌套结构,其三个环采用P-PI-PI策略。如图3所示:

图3:带前馈的三环嵌套结构 


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在前文:“交流伺服驱动器电流环的整定”中,已经讨论过电流环整定。以下篇幅我们讨论P-PI-PI控制策略速度和位置环的整定:



速度环整定

速度环的整定,主要分析实际速度曲线和给定速度曲线,保证速度响应,没有明显的速度过冲,且没有震荡。

速度环采用PI策略,因此,速度环一般调整KVPROP和KVINT。KVPORP给速度曲线引入阻尼项,可抑制速度过冲,KVINT可提升速度响应。

测试条件:

速度=20r/s,

距离=5r

加减速时间=100ms

定性分析,固定KVINT=200,更改KVPORP时,观察其曲线,如图4所示:

图4:比例增益对速度环的作用 


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由图可见,增大KVPORP后,过冲得到了明显抑制。

再次定性分析,固定KVPROP=2.5,更改KVINT时,观察其曲线,如图5所示:

图5:积分增益对速度环的作用 


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由图可见,增大KVINT后,动态跟随误差明显减小,但KVINT的增大,同时引入了过冲,需要再加大KVPROP以抑制过冲。

整定开始时,需判断当前的主要矛盾是过冲还是跟随滞后,然后确定初始调整的参数。交替调整PI参数,直至获得较满意的速度环整定效果。



位置环的整定

依据P-PI-PI策略,位置环只有比例系数可以整定。但带前馈的三环控制结构,在位置环引入了速度前馈和加速度前馈。因此除了KPROP比例参数外,还有速度前馈KVELFF和加速度前馈KACCEL两个前馈项可以整定。

位置环,主要观察的参数是跟随误差。相对于伺服轴的位置值,跟随误差是个很小的数值,一般把跟随误差用单独的Y轴显示,如图6所示:

图6:位置环曲线


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如上图所示,在加减速阶段,跟随误差最大约为0.008r,即:2.88度(粉红色纵轴)。

在整定时,可逐渐增加KPROP,以降低跟随误差的峰值和宽度,同时降低伺服轴的停止时的稳定时间。当开始有震荡倾向时,再次降低KPROP,以获取最小的跟随误差幅值。如下图所示,当KPROP从0.26增大到0.5时,最大跟随误差从0.006r降低到0.005r左右,但KPROP=0.5时,跟随误差有震荡倾向,如图7所示:

图7:比例增益对跟随误差的作用

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以上步骤完成后,可尝试投入前馈参数。

一般情况下,速度前馈即KVELFF参数不用调整,只需关心加速度前馈KACCEL。加速度前馈可以从0.1开始逐渐增加,可以增大到200甚至更高。当跟随误差曲线有再次变大的倾向时,降低KACCEL参数。

如下图,在KPROP=0.25时,把KACCEL设为90时,最大跟随误差降低到0.002r,即0.72度左右,如图8所示:

图8:加速度前馈对跟随误差的作用


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加速度前馈在加减速度越快时,其效果越明显。前馈参数主要在运动过程中减小或消除跟踪误差。前馈工作在传统的反馈环之外,不会导致系统的不稳定。

ABB伺服驱动器的位置环,可以设置在定位结束时投入积分器,以期在运动停止时,消除跟踪误差。在运动过程中,高增益会引起系统的不稳定,特别是积分增益。常用的办法是使用选择性积分,即仅当定位时才投入积分器,以使积分器消除任何剩余的误差。





伺服环的算法,是非常复杂的,涉及很多理论模型和控制理论。本文未介绍理论公式,仅从实践和经验的角度,对工作心得做定性的梳理和总结……



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