運動控制器關于電流環、速度環、位置環的優化

控制器優化的關鍵在于以下幾個方面。

（1）動態特性

動態特性的衡量標準為頻響特性的帶寬以及對于階躍信號的動態響應時間，如下圖所示。

可以通過更短的采樣周期與更高的控制器的比例增益來提高系統的動態特性。

系統階躍響應（一）

（2）穩定性

可以通過開環特性的幅值與相角裕量來判斷系統的穩定性，同時也可以通過超調的大小來判斷系統的穩定性，如下圖所示。

系統階躍響應（二）

小的控制器比例增益有助于提高系統的穩定性，由此可見，系統的動態特性與穩定性是相互矛盾的。在調試過程中，應在保持系統穩定性的前提下盡量提高其動態特性。

（3）精度

可以通過開環特性的低頻高比例增益來提高精度。系統的靜態誤差與跟隨誤差越小，精度越高，如下圖所示。

系統階躍響應（三）

控制器的積分可以用來消除系統的靜態誤差，同時比例增益越大，精度越高。

（4）系統魯棒性

魯棒性是指在運行條件發生變化時，系統保持穩定性與動態特性的能力，如下圖所示。其中包括：

系統階躍響應（四）

①機械特性發生變化；

②電機特性由于溫度引起的變化等。

影響系統魯棒性的因素有很多，如驅動器的輸出能力、系統的穩定性等。

（5）控制信號限制

由于電機以及驅動器輸出能力的限制，因此要考慮控制信號的限制，如下圖所示。例如在設定負載的加速度時，就要考慮其加速扭矩是否已經超出了驅動器或者電機的驅動能力。

系統階躍響應（五）

（6）抗干擾與抗噪聲能力

①低頻擾動，由交叉耦合或摩擦引起，主要解決方法有以下兩種：

低頻高比例增益；

積分與濾波器。

②高頻噪聲，由電機與機械諧振引起，主要解決方法有以下兩種：

高頻低增益；

濾波。

電流環、速度環、位置環的優化

通常情況下，伺服系統由電流環、速度環以及位置環組成，3個閉環是由內到外互相包容的。也是就說，速度環包含電流環，而位置環又包含速度環。在極少數場合中，還會遇到只有位置環與電流環的情況，不過只是在特殊應用中。典型的三環控制回路如下圖所示。

三環控制回路

在優化過程中，建議按照由內到外的順序，即先優化電流環，再優化速度環，最后整定位置環參數。在伺服驅動中，電流控制器的參數是根據電機的參數確定的，包括電機的額定電流、轉矩常數等。而在電流控制器的反饋通道上，用到電機的模型，里面涉及電機的感抗及阻抗等參數。因此說，電機參數的準確與否對電流環的參數起著重要的影響。

當用SinamicsS120對西門子電機進行控制時，僅僅需要核對電機的序列號，電流控制器參數會自動默認。如果用S120驅動第三方電機，就需要認真核對電機的每個參數，并需要對電機進行靜態識別。對于電流環特性的衡量，可以通過伯德圖來進行判斷，通常情況下，電流環的帶寬要求在1000Hz左右。需要注意的是，電流環的特性不是越硬越好，因為在電流環的外層還有速度控制環，在速度控制器輸出的急劇調整狀況下，過硬的電流環特性會導致系統不穩定。

使用過程中，需要大力調整的控制器是速度控制器，在對電流環進行整定的基礎上，速度環的比例增益與積分時間是最關鍵的整定參數，也是使用最頻繁的參數。根據控制器優化標準及方法，可以對速度控制器進行整定。整定的原則就是在保證系統穩定性的基礎上，將動態特性調整到最高。一些高性能伺服驅動器為用戶提供了自動優化的功能，自動優化的過程中需要測量電機與負載的慣量，對電流環參數進行識別，最后給出優化后的速度控制器參數。但是由于充分地考慮系統的穩定性，自動優化的結果都是比較保守的參數，因此用戶可以在自動優化的基礎上再對控制器參數進行手動調整。參考的依據是系統的伯德圖或者是階躍響應。一般情況下，要保證速度環的帶寬在100～200Hz。

在對電流環與速度環進行優化之后，可以以一定的頻率轉動電機，檢查其運行的平穩性。最后就是對于位置控制器的整定。對于位置控制器，多數場合系統默認的都是比例控制，沒有積分與微分環節。對于比例增益，推薦的方式是從一個較小的值逐漸向大調整，直到滿足系統定位精度的要求。

編輯：黃飛

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