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交流伺服驱动器的控制结构及基本整定

时间:2021-10-21    作者:星辰智能

伺服驱动器有两种常见的控制结构来实现精确的电机控制。

三环嵌套结构:从内到外分别是工作电流环,速度环和位置环

双环控制结构:从三环嵌套结构中取出速度环

目前,伺服驱动器产品可以在这两种控制策略之间切换。


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,无法对速度进行通过直接控制。双环结构是在三环嵌套机构的上来的。去掉速度环后,相位滞后严重,相位裕度小于零,控制处于不稳定状态。相位超前链路需要串联以补偿不稳定状态。

  补偿失稳降低了抗高频噪声的能力。为了提高抗高频噪声的能力,有必要增加高阶低通链路。伺服控制性能的三个维度是轨迹跟踪能力、噪声抑制能力和稳定性。与三环控制结构相比,双环控制结构的跟踪能力和噪声抑制能力增强,但稳定性降低。同时,由于去掉了速度环,宽带响应明显提高,比三环结构提高了50%左右。

军用伺服电机 尺寸图_15-1.jpg

三环嵌套结构简介:三环结构比较常见的两种控制管理策略是PI-P-PI和P-PI-PI。

Pi-p-pi 控制策略

  在该控制策略中,电流环和位置环采用比例积分调节,速度环采用比例调节。在位置环中使用PI的优点是具有很强的跟踪能力,动态跟踪可以自动消除斜指令的跟踪误差,无需前馈环节。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,不用前馈即可进行自动抵消动态过程跟踪误差。

P-PI-PI控制策略

  在该控制策略中,位置环采用比例调节,速度和电流环采用比例积分调节,这是最常用的pid控制策略。该控制策略的开环传递函数只有一个积分器的i型系统。它可以保证阶跃信号的零误差,但斜坡信号和加速度指令都必须产生稳态误差,甚至跟踪误差也会逐渐增大。因此,为了消除动态跟踪误差,往往需要在控制策略中加入前馈环节。


速度环整定:

速度环的整定,主要通过分析企业实际发展速度曲线和给定速度曲线,保证速度响应没有得到明显的速度过冲,且没有震荡。

速度环采用pi策略,所以速度环通常调节 kvprop 和 kvint。Kvporp 在速度曲线上引入了一个阻尼项来抑制速度过沖和 kvint 以提高速度响应。


测试条件:

速度=20r/s,

距离=5r

加速和减速时间= 100毫秒。

定性研究分析,固定KVINT=200,更改KVPORP时,观察其曲线在设定初期,需要确定当前的主要矛盾是超调还是滞后,然后确定初始调整的参数。交替调整 pi 参数,直到速度环达到满意的整定效果。


位置环的整定:根据 p-pi-pi 策略,位置环只能通过比例系数来设置。而在具有前馈的三环控制结构中,位置环中引入了速度前馈和加速度前馈。因此,除了 kprop 刻度参数外,还有速度前馈 kvelff 和加速度前馈 kaccel 两个前馈参数。

位置环,主要观察参数是跟随误差。相对于伺服轴的位置值,下面的误差是一个很小的值,通常由单独的Y轴显示。


加速度前馈在加减速度越来越快时,其效果越明显。前馈参数进行主要可以在运动过程中不断减小或消除信息跟踪误差。前馈工作在传统的反馈环之外,不会影响导致管理系统的不稳定。

  在伺服驱动器运动过程中,高增益会引起系统的不稳定性,特别是积分增益。常用的方法是使用选择性积分,其中积分器只有在定位时才放入,以便积分器消除任何残留误差。

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