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介紹交流伺服驅動器的控制回路
發布時間：2021-04-25 07:41:24
控制回路與主電路的關系
如前文交流伺服驅動器的主回路簡介所述，交流伺服驅動器的控制電路通過控制逆變器的開關邏輯，實現對逆變器輸出電流和電壓的精確控制，從而實現對伺服電機快速、精確及穩定的控制。
伺服控制回路接受控制指令并接受伺服電機的電流反饋和位置反饋信號，計算生成控制伺服逆變器的相電壓指令(開關邏輯)，用于控制伺服驅動器的輸出。
圖1：控制回路與主回路的關系
控制電路的主要控制策略
運動控制需要精確的扭矩、速度和位置控制。伺服驅動器一般常見的有電流環、速度環和位置環三個閉環。電流環是伺服驅動器的最內環，也是必須的控制環。電流環外，伺服的控制回路有3種常見的控制策略。
1. 級聯的速度環和位置環，其概念如圖2所示：
圖2：級聯的速度環和位置環
這種結構是最常用的，位置環內嵌一個速度環，速度環內嵌電流環。這三個環分別用于控制伺服的位置、速度和扭矩。
2. 單環PID位置控制，其概念如圖3所示：
圖3：單環PID位置控制
此控制策略與級聯的速度環和位置環控制策略相比，沒有速度環，故不能做速度控制，只能做位置和扭矩控制。
圖4：帶前饋控制的級聯閉環
由上圖可見，這種控制策略在傳統級聯的速度環和位置環之外，加了速度前饋和加速度前饋。此前饋在速度環和位置環之外，因而不會導致系統的不穩定。
伺服控制欲保證其快速性、穩定性和準確性，一般要求系統具有高增益。可增益過高容易引起不穩定，特別是PID控制器中的積分增益。一般在定位停止時才投入積分器，以最終消除跟蹤誤差。而在運動過程中誤差的消除，就要借助速度前饋和加速度前饋。
速度前饋：輸入速度曲線直接反饋給速度環，當速度發生突變時，系統迅速響應，從而消除跟蹤誤差。如速度前饋增益設置的太高，在速度曲線的加/減速區間會產生誤差尖峰。
加速度前饋：通過加一個加速度前饋，可以解決速度前饋增益太高引起的超調，即誤差尖峰問題，使整個系統有快速響應能力及強擾動抑制能力。
當前先進的伺服驅動器都有速度和加速度前饋功能！
控制電路三個環的簡單介紹
位置環接受外部指令，并輸出速度指令，作為速度環的輸入。速度環輸出電流指令，作為電流環的輸入。所謂伺服的整定，即是對伺服三個閉環的PID整定。
電流環：電流環是伺服的最內環，由電流環向電機的定子注入電流，實現電機的加減速控制。電流環的輸入是速度環的輸出，以及實時的電流反饋信號。電流環必須被首先整定，且要整定良好。因為電流環就像大樓的地基一樣。電流環性能差，是無法通過速度或位置環的整定彌補的。
常用階躍信號對電流環進行整定。一般情況下，階躍響應是系統可能遇到的最糟糕的情況。位置外環產生給速度環，以及速度環產生給電流環的指令都是比階躍信號平滑得多的指令。因此，如果系統能對階躍信號有一個滿意的響應，它在更平滑的運行條件下，響應會更好。
圖5：電流環整定曲線
速度環：速度環的輸入是位置環的輸出，以及電機的反饋速度。速度環的輸出是一個電流指令給到電流環。速度環的性能，主要考察速度跟隨情況。如下圖左圖，增益較小，跟隨誤差較大。右圖跟隨誤差要小得多。
圖6：速度環整定曲線
速度環整定一般采用PI策略，比例增益增大系統阻尼(抑制過沖), 積分增益提升系統響應。一般要求加減速時，速度過沖小，速度跟隨快速，且勻速運動或靜止時無抖動。
注：有的伺服驅動器，當采用單環PID位置控制策略時，是沒有速度環的。一般認為這種控制方式可提升位置控制的控制精度。
位置環：位置環主要考察實際位置與給定位置之間的跟隨誤差，尤其是加減速階段，要求跟隨誤差幅值小，且能快速降為0。
圖7：位置環整定曲線
如上圖，粉紅色曲線為跟隨誤差，粉紅色坐標為其縱坐標。其加減速階段，最大跟隨誤差為0.008個用戶單位，跟隨誤差穩定約需180ms
控制回路的幾個頻率參數
Profiler Rate: 控制回路接收的外部指令為期望位置，或Setposition. SetPosition由Profiler(又稱軌跡規劃器，或輪廓規劃器)生成，直接給到位置環。Profiler以一定的頻率更新給定的SetPosition指令，此頻率為Profiler Rate。如由上位PLC通過EtherCAT總線控制伺服，總線周期為2ms時，其Profiler Rate為500KHz。
伺服環刷新頻率:三個環都有一個反饋信號采樣周期。一般最內環的采樣周期最短，即刷新頻率最大。對電流環而言是對霍爾元件或電流互感器采樣，對速度和位置環而言，是對編碼器采樣。速度環的反饋信號，可由實時反饋位置的微分得到。三環的刷新頻率一般由伺服驅動器默認設置。有的也可以進行更改。提升采樣頻率可提升驅動器性能，但會增加處理芯片的負擔。
PWM開關頻率：對應逆變器中，IGBT的開關頻率。提升PWM開關頻率有助于降低噪音，提升電流環性能。但開關元件發熱上升，最大輸出電流會有所下降。
總結
本文簡單介紹了伺服驅動器的控制電路。首先講述控制回路與主回路之間的關系，然后是伺服驅動器常用的控制策略，最后簡述控制回路的三個閉環，以及與這幾個閉環對應的幾個頻率參數。
伺服控制是很復雜的技術，僅PWM控制就有多種算法和策略。PID整定也是非常復雜的算法。本文僅從概念上，對交流伺服驅動器的控制電路做一個簡單介紹。
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