本文主要介紹了伺服驅(qū)動器的電流、速度和位置三環(huán)控制部分的框架結(jié)構(gòu)，定性的闡明了伺服驅(qū)動器運(yùn)行時(shí)速度過沖的根本原因，各個(gè)控制參數(shù)的作用以及不同模式下的調(diào)試方法。對于性能要求比較高、需要人工調(diào)整參數(shù)的場合來說，掌握這些知識和方法可以為伺服驅(qū)動器的現(xiàn)場調(diào)試提供很好的幫助。

　　1 前言

　　伺服系統(tǒng)(Servomechanism)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)常工作于閉環(huán)的位置模式，使其具有精準(zhǔn)的位置跟隨能力。伺服系統(tǒng)也有一部分的應(yīng)用是工作在速度模式。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置三閉環(huán)PID控制算法。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，時(shí)常發(fā)生實(shí)際速度超調(diào)過沖的情況，這將對伺服的定位精度產(chǎn)生負(fù)面影響。為何會出現(xiàn)這樣情況，以及遇到這樣的情況如何調(diào)整參數(shù)，對于現(xiàn)場調(diào)試人員來說具有積極的意義。

　　2 伺服驅(qū)動器的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)

　　Easy Lexium 16 位置控制模式的三環(huán)控制模型如圖1所示。

圖1 Easy Lexium 16 位置控制模式三環(huán)控制模型

　　2.1 電流環(huán)

　　電流環(huán)在三環(huán)控制中位于最內(nèi)側(cè)，我們稱之為內(nèi)環(huán)。因此電流環(huán)的性能好壞會直接影響到速度環(huán)和位置環(huán)的性能。電流環(huán)是電流指令與采樣的電機(jī)電流形成閉環(huán)，一般是通過PI算法控制，而且PI值的確定與電機(jī)參數(shù)有關(guān)，因此基本不對用戶開放，用戶也無需調(diào)整。

　　電流環(huán)調(diào)整的參數(shù)有3種：

　　· 最大電流限制

　　· 陷波濾波器(一組參數(shù))

　　· 電流指令平滑濾波器

　　最大電流限制：當(dāng)負(fù)載慣量比比較大且加速度較大時(shí)，伺服啟動器需要輸出較大的電流。如果超過了最大電流限制值，輸出電流就會被限制到該最大電流限制值。最大電流限制會限制伺服驅(qū)動器的最大輸出轉(zhuǎn)矩，在大負(fù)載大加減速度時(shí)導(dǎo)致電流環(huán)響應(yīng)能力受限。

　　陷波濾波器：陷波濾波器的作用是用來消除系統(tǒng)共振。一般由陷波濾波器阻尼，陷波濾波器頻率和陷波濾波器帶寬三個(gè)參數(shù)組成。現(xiàn)在的伺服都使用自適應(yīng)陷波濾波器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，驅(qū)動器自動測量振動頻率、帶寬等特性，并自動設(shè)置這三個(gè)參數(shù)，一般無需人工干預(yù)。

　　電流指令平滑濾波器：這是一個(gè)低通濾波器，主要用來濾除電流指令中的高頻干擾。

　　陷波濾波器和電流指令平滑濾波器都有可能帶來電流環(huán)響應(yīng)的延遲。由于電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，因此電流環(huán)響應(yīng)能力的不足也不可避免的會對速度環(huán)響應(yīng)能力帶來負(fù)面影響。

　　2.2 速度環(huán)

　　速度環(huán)的速度指令輸入與采樣到的電機(jī)編碼器的速度信號形成閉環(huán)，在三環(huán)當(dāng)中處于中間位置，因此速度環(huán)的性能會受到電流環(huán)性能的影響且會直接影響到位置環(huán)的響應(yīng)性能。速度環(huán)一般只采用比例積分控制，即PI控制。

　　速度環(huán)調(diào)整的參數(shù)大致有6種：

　　· 最大速度限制

　　· 超調(diào)抑制

　　· 速度指令平滑

　　· 加速度前饋

　　· 摩擦補(bǔ)償

　　· 比例增益KPn和積分時(shí)間TNn

　　其中最常用的參數(shù)有3種：

　　· 最大速度限制

　　· 速度指令平滑濾波

　　· 比例增益KPn和積分時(shí)間TNn

　　最大速度限制：用來限制電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，單位是RPM(轉(zhuǎn)/分)。

　　速度指令平滑濾波：這是一個(gè)低通濾波器，主要用來濾除速度指令中的高頻干擾。

　　比例增益KPn和積分時(shí)間TNn：KPn也就是PI控制的比例項(xiàng)系數(shù)，和1/TNn也就是PI控制的積分項(xiàng)系數(shù)。

　　在速度環(huán)的調(diào)試過程中，負(fù)載電機(jī)慣量比、電機(jī)與負(fù)載連接剛度、電流環(huán)的最大響應(yīng)能力等系統(tǒng)因素都必須被考慮。

　　2.3 位置環(huán)

　　位置環(huán)與采樣到的電機(jī)編碼器的位置信號形成閉環(huán)，在三環(huán)當(dāng)中處于最外面的位置，稱之為外環(huán)。一般位置環(huán)只采用比例增益控制而沒有積分時(shí)間參數(shù)(P控制)。

　　位置環(huán)輸入的位置指令中也包含速度和加速度的信息。對位置指令求導(dǎo)將得到指令中的速度信息，而對速度信息再次求導(dǎo)將得到加速度信息。

　　位置環(huán)調(diào)整的參數(shù)主要有4種：

　　· 加速度平滑濾波

　　· 位置指令平滑濾波

　　· 速度前饋

　　· 比例增益KPp

　　加速度平滑濾波：也就是常說的Jerk濾波器，本質(zhì)是一個(gè)平均值濾波器，主要用來平滑位置指令中的加速度信息。

　　位置指令平滑濾波：這是一個(gè)低通濾波器，主要用來濾除位置指令中的高頻干擾。

　　速度前饋：用來將位置指令中的部分或全部速度信息作為速度指令的一部分直接輸入到速度環(huán)，這樣可以提高位置環(huán)的響應(yīng)速度。

　　比例增益KPp：位置環(huán)的比例增益參數(shù)。

　　3 速度模式下速度過沖原因及調(diào)試方法

　　在上一章中，我們主要介紹了伺服驅(qū)動器三環(huán)控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。了解了三環(huán)結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)后，我們開始對速度過沖問題的成因進(jìn)行分析。

　　速度過沖分為兩種情況：

　　· 速度模式下的實(shí)際速度過沖

　　· 位置模式下的速度指令過沖

　　下面我們將逐個(gè)情況討論。

　　3.1 速度模式下的實(shí)際速度過沖

　　我們常說速度超調(diào)過沖是由于控制參數(shù)比例項(xiàng)KPn和積分項(xiàng)1/TNn調(diào)的過大導(dǎo)致，但仔細(xì)分析會發(fā)現(xiàn)，速度模式下的實(shí)際速度過沖不僅與速度環(huán)的KPn/TNn有關(guān)，還與內(nèi)環(huán)電流環(huán)的參數(shù)有直接的關(guān)系，且主要受下面幾個(gè)因素影響：

　　(1)速度響應(yīng)的固有延時(shí)

　　(2)電流環(huán)指令濾波

　　(3)電流環(huán)的最大電流限制

　　(4)速度環(huán)控制比例項(xiàng)KPn或TNn

　　3.1.1 速度響應(yīng)的固有延時(shí)

　　速度指令進(jìn)入速度環(huán)后與實(shí)際速度閉環(huán)經(jīng)過PI運(yùn)算輸出q軸電壓Uq和d軸電壓Ud。Uq和Ud經(jīng)過Park逆變換和SVPWM運(yùn)算后輸出PWM信號開關(guān)IGBT，將高壓PWM信號作用于電機(jī)UVW三相上。由于電機(jī)線圈是感性器件，因此產(chǎn)生的電流與相電壓比會有一定的延時(shí)，而且軟件的計(jì)算也會產(chǎn)生一定的延時(shí)，電流與磁場產(chǎn)生力的作用再到推動電機(jī)轉(zhuǎn)子克服摩擦力轉(zhuǎn)動，這些都是無法消除的一些系統(tǒng)上的延時(shí)。

　　這就導(dǎo)致即使是在電流環(huán)不開濾波器且速度環(huán)處于最佳控制參數(shù)情況下，實(shí)際速度曲線與速度指令之間仍會有固定的延時(shí)Td。對于一個(gè)伺服驅(qū)動器加電機(jī)的系統(tǒng)來說，Td是一個(gè)固定值。Td的值一般在1ms左右。

　　這個(gè)固有延時(shí)Td對速度環(huán)的性能影響是比較大的。它決定了速度環(huán)響應(yīng)能力的上限。

　　在速度環(huán)KPn和TNn一定的情況下，若Td的更大，則加減速時(shí)更易產(chǎn)生過沖。反之，Td越小越不易過沖。在理想情況下Td=0且電流環(huán)指令濾波完全關(guān)閉時(shí)，速度環(huán)的KPn可以調(diào)的很大仍不過沖。

圖2實(shí)際速度波形比較

　　圖2是Td=0與Td=1ms時(shí)，在相同的KPn/TNn及關(guān)閉電流環(huán)濾波參數(shù)，并且同樣控制參數(shù)設(shè)置情況下，實(shí)際速度波形比較?？梢钥吹剑琓d=1ms時(shí)，實(shí)際速度Nact產(chǎn)生了過沖震蕩，影響還是比較大的。

　　3.1.2 電流環(huán)指令濾波

　　電流環(huán)指令濾波包括共振抑制濾波(陷波濾波器)和指令平滑濾波。這兩種濾波都會造成電流指令的延遲，對電流環(huán)的響應(yīng)能力造成影響。電流環(huán)的響應(yīng)能力的下降，也不可避免的對速度環(huán)的響應(yīng)能力造成影響。

　　在速度環(huán)KPn和TNn一定的情況下，若電流環(huán)指令濾波(共振抑制濾波/平滑濾波)越大，則加減速時(shí)更易產(chǎn)生過沖。反之，越不易過沖。

圖3 實(shí)際速度波形比較

　　圖3是理想情況下Td=0時(shí)，在相同的KPn/TNn情況下，關(guān)閉電流指令平滑濾波與打開電流指令平滑濾波的實(shí)際速度波形比較。可以看到在同樣參數(shù)設(shè)置下，使用電流環(huán)平滑濾波時(shí)實(shí)際速度Nact產(chǎn)生了過沖。這是由于使用了電流環(huán)指令濾波后，電流環(huán)響應(yīng)能力變差造成的。

　　3.1.3 電流環(huán)的最大電流限制

　　在速度模式下，當(dāng)負(fù)載過大且加減速度比較大時(shí)，速度環(huán)可能會輸出一個(gè)較大的電流指令。如果超過伺服驅(qū)動器允許的最大值，導(dǎo)致電流環(huán)輸出能力飽和，就會進(jìn)行電流指令最大值限制。這樣驅(qū)動器就達(dá)不到預(yù)期的輸出轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致實(shí)際速度響應(yīng)跟不上速度指令的變化。

　　圖4 實(shí)際速度波形比較

　　圖4是理想情況下Td=0時(shí)，在相同的KPn/TNn情況下，最大電流不被限制與最大電流限制情況下的實(shí)際速度波形比較?？梢钥吹皆谒俣饶Ｊ较?，實(shí)際速度的響應(yīng)只是變慢了，但沒有發(fā)生過沖。

　　3.1.4 速度環(huán)控制參數(shù)KPn或TNn

　　控制參數(shù)KPn是速度環(huán)比例增益，TNn是速度環(huán)積分時(shí)間。

　　圖5 實(shí)際速度波形比較

　　通過圖5可以看到，在不開啟電流環(huán)濾波，Td=1ms的情況下，如果KPn和TNn調(diào)整適中，則實(shí)際速度無過沖。若KPn設(shè)置比較大，則發(fā)生過沖。若TNn設(shè)置比較小，也會發(fā)生過沖。

　　3.1.5 速度模式下的調(diào)試方法

　　綜上所述，在速度模式下，實(shí)際速度發(fā)生過沖是KPn,TNn以及電流環(huán)共振抑制濾波和平滑濾波共同作用的結(jié)果。這些參數(shù)互相耦合，導(dǎo)致現(xiàn)場調(diào)試?yán)щy。參數(shù)值調(diào)小了導(dǎo)致速度響應(yīng)不夠及時(shí)，調(diào)大了則會引起速度過沖。

　　我們在調(diào)試過程中可以參考下面的方法：

　　電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，電流環(huán)的性能如果不好會直接影響速度環(huán)的性能。因此在調(diào)試過程中，要先注意電流環(huán)參數(shù)的調(diào)整。電流環(huán)濾波參數(shù)在滿足應(yīng)用需求的情況下應(yīng)該盡可能的小，不宜調(diào)的過大影響電流環(huán)的響應(yīng)能力。

　　在電流環(huán)響應(yīng)性能得到最佳發(fā)揮的情況下，再調(diào)整速度環(huán)的KPn和TNn?？梢韵葘Nn設(shè)置的比較大，減弱積分項(xiàng)的作用，然后根據(jù)實(shí)際速度曲線的響應(yīng)情況來調(diào)整KPn的值，使實(shí)際速度曲線與速度指令曲線比，即有很好的跟隨能力有不會產(chǎn)生過沖。這時(shí)在勻速運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)際速度可能與速度指令相比有個(gè)誤差。這就需要通過減小TNn來消除這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。最終達(dá)到實(shí)際速度曲線既有良好的跟隨性，又沒有過沖和穩(wěn)態(tài)誤差。

　　3.2 位置模式下的速度過沖原因及調(diào)試方法

　　伺服驅(qū)動器在大多數(shù)情況下工作在位置模式。位置環(huán)是最外環(huán)，位置環(huán)的性能直接受到速度環(huán)和電流環(huán)性能的影響。因此，位置環(huán)的調(diào)整比之前速度環(huán)的調(diào)整更為復(fù)雜。主要受下面幾個(gè)因素影響：

　　(1) 速度響應(yīng)的固有延時(shí)

　　(2) 電流環(huán)指令濾波

　　(3) 電流環(huán)的最大電流限制

　　(4) 位置環(huán)控制比例項(xiàng)KPp

　　(5) 位置環(huán)加速度平滑濾波器

　　與速度模式相同的因素(1)和(2)這里不再贅述，下面主要對于位置模式下情況不同的因素進(jìn)行分析。

　　3.2.1 電流環(huán)最大電流限制

　　速度模式下，最大電流的限制只會導(dǎo)致實(shí)際速度上升的延遲，不會引起速度過沖。其特點(diǎn)是實(shí)際加速度恒定且小于指令加速度。而位置模式下，如果觸發(fā)了最大電流限制則有可能導(dǎo)致速度指令和實(shí)際速度強(qiáng)烈的過沖。圖6是速度模式與位置模式下，電流環(huán)飽和后速度曲線的對比。

　　圖6 電流環(huán)飽和后速度曲線的對比

　　3.2.2 位置環(huán)控制比例項(xiàng)KPp

　　控制參數(shù)KPp是位置環(huán)比例增益。位置環(huán)的輸出是速度指令Nref=KPp*Perr。

　　由公式可以看出，如果電流環(huán)飽和后導(dǎo)致速度增加比較慢，此時(shí)位置誤差Perr在不停的累計(jì)增大。在相同KPp的情況下，速度指令Nref就會產(chǎn)生過沖，這種情況可以在圖6的位置模式圖中看到。

　　如果要消除速度指令Nref的過沖，那我們只需要減小KPp即可。由于位置環(huán)只有比例項(xiàng)沒有積分項(xiàng)，因此如果KPp偏小，可能導(dǎo)致最終停止時(shí)有一定的位置偏差。要解決這一問題，就要使用下面提到的加速度平滑濾波器。

　　3.2.3 位置環(huán)加速度平滑濾波器

　　圖7 加速度平滑濾波器

　　加速度平滑濾波器位于位置指令輸入側(cè)，其主要作用是對加減速度進(jìn)行平滑濾波，用來減小加減速度值，也就是減小加減速過程中的最大電流。

　　圖8 實(shí)際速度波形比較

　　由圖8可以看出，在KPp保持不變且其他控制參數(shù)相同情況下，使用加速度平滑濾波后，實(shí)際速度過沖得到了很好的控制。

　　3.2.4 速度前饋參數(shù)

　　圖9 速度前饋

　　從圖9可以看出，速度前饋參數(shù)與位置控制器增益參數(shù)(KPp)是并列關(guān)系。也就是說位置指令中的速度信息通過速度前饋參數(shù)后的前饋速度，與位置誤差通過位置控制器計(jì)算后產(chǎn)生的速度相加，相加后的速度作為速度環(huán)速度指令的輸入到速度環(huán)。

　　前饋控制優(yōu)點(diǎn)是將位置指令中的速度信息全部或部分直接引入調(diào)節(jié)裝置，使速度的響應(yīng)比反饋控制更及時(shí)。

　　圖10 速度波形對比

　　從圖10是在控制參數(shù)完全一樣的情況下，不引入速度前饋和引入速度前饋的速度波形的對比?？梢钥吹绞褂盟俣惹梆伜?，速度指令和實(shí)際速度明顯提前。這是因?yàn)椴灰胨俣惹梆仌r(shí)，速度指令只能靠KPp*Perr來生成，而Perr是個(gè)逐漸積累的過程，變化比較慢。引入速度前饋后，速度指令可以直接從位置環(huán)前端得到位置指令中的速度信息，從而提高了速度指令的響應(yīng)。

　　3.2.5 位置模式下的調(diào)試方法

　　綜上所述，在位置模式下，速度發(fā)生過沖是加速度平滑濾波器、速度前饋、 KPp、KPn、TNn以及電流環(huán)共振抑制濾波和平滑濾波共同作用的結(jié)果。這些參數(shù)互相耦合，導(dǎo)致現(xiàn)場調(diào)試十分困難。

　　我們在調(diào)試過程中可以參考下面的方法：

　　在調(diào)試過程中，先將速度前饋和KPp設(shè)置為較小的值，減小位置環(huán)參數(shù)的影響。用速度模式下的調(diào)試方法調(diào)整好電流環(huán)和速度環(huán)。然后根據(jù)最大電流是否被限制來調(diào)節(jié)加速度平滑濾波器，使位置指令的加速度值匹配伺服的最大限制電流值。最后在逐步調(diào)整速度前饋和KPp使伺服達(dá)到最佳性能。

　　4 小結(jié)

　　雖然現(xiàn)在的伺服驅(qū)動器大都具有參數(shù)自整定功能，但對于要求高的應(yīng)用場合，依然需要人工手動調(diào)整。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，了解現(xiàn)象背后的成因，熟悉每個(gè)控制參數(shù)的作用，對現(xiàn)場調(diào)試工程師來說仍然是重要且必要的。在調(diào)試時(shí)要秉承先調(diào)整好內(nèi)環(huán)參數(shù)再調(diào)整外環(huán)參數(shù)的原則，綜合考慮各個(gè)環(huán)上每個(gè)參數(shù)的特點(diǎn)，最終達(dá)到速度響應(yīng)快，位置精準(zhǔn)度高，實(shí)際速度不過沖不滯后，從而達(dá)到最佳的控制效果。

　　作者簡介：

　　姓名：出生年月：1980年1月23日

　　性別：男學(xué)歷：本科

　　所屬單位：施耐德電氣(中國)有限公司高級固件工程師 丁宇塵

　　職務(wù)：

　　研究方向：整合可編程邏輯功能的伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器的控制參數(shù)自整定算法

　　通訊地址：上海市浦東新區(qū)龍東大道3000號9號樓3樓

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