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

　　1 前言

　　伺服系統(Servomechanism)又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統常工作于閉環的位置模式，使其具有精準的位置跟隨能力。伺服系統也有一部分的應用是工作在速度模式。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置三閉環PID控制算法。在現場調試過程中，時常發生實際速度超調過沖的情況，這將對伺服的定位精度產生負面影響。為何會出現這樣情況，以及遇到這樣的情況如何調整參數，對于現場調試人員來說具有積極的意義。

　　2 伺服驅動器的三環控制結構

　　Easy Lexium 16 位置控制模式的三環控制模型如圖1所示。

圖1 Easy Lexium 16 位置控制模式三環控制模型

　　2.1 電流環

　　電流環在三環控制中位于最內側，我們稱之為內環。因此電流環的性能好壞會直接影響到速度環和位置環的性能。電流環是電流指令與采樣的電機電流形成閉環，一般是通過PI算法控制，而且PI值的確定與電機參數有關，因此基本不對用戶開放，用戶也無需調整。

　　電流環調整的參數有3種：

　　· 最大電流限制

　　· 陷波濾波器(一組參數)

　　· 電流指令平滑濾波器

　　最大電流限制：當負載慣量比比較大且加速度較大時，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動器的最大輸出轉矩，在大負載大加減速度時導致電流環響應能力受限。

　　陷波濾波器：陷波濾波器的作用是用來消除系統共振。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參數組成。現在的伺服都使用自適應陷波濾波器，當系統發生共振時，驅動器自動測量振動頻率、帶寬等特性，并自動設置這三個參數，一般無需人工干預。

　　電流指令平滑濾波器：這是一個低通濾波器，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響應的延遲。由于電流環是內環，因此電流環響應能力的不足也不可避免的會對速度環響應能力帶來負面影響。

　　2.2 速度環

　　速度環的速度指令輸入與采樣到的電機編碼器的速度信號形成閉環，在三環當中處于中間位置，因此速度環的性能會受到電流環性能的影響且會直接影響到位置環的響應性能。速度環一般只采用比例積分控制，即PI控制。

　　速度環調整的參數大致有6種：

　　· 最大速度限制

　　· 超調抑制

　　· 速度指令平滑

　　· 加速度前饋

　　· 摩擦補償

　　· 比例增益KPn和積分時間TNn

　　其中最常用的參數有3種：

　　· 最大速度限制

　　· 速度指令平滑濾波

　　· 比例增益KPn和積分時間TNn

　　最大速度限制：用來限制電機的最大轉速，單位是RPM(轉/分)。

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

　　比例增益KPn和積分時間TNn：KPn也就是PI控制的比例項系數，和1/TNn也就是PI控制的積分項系數。

　　在速度環的調試過程中，負載電機慣量比、電機與負載連接剛度、電流環的最大響應能力等系統因素都必須被考慮。

　　2.3 位置環

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

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

　　位置環調整的參數主要有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，本質是一個平均值濾波器，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，這樣可以提高位置環的響應速度。

　　比例增益KPp：位置環的比例增益參數。

　　3 速度模式下速度過沖原因及調試方法

　　在上一章中，我們主要介紹了伺服驅動器三環控制結構和控制參數。了解了三環結構和控制參數后，我們開始對速度過沖問題的成因進行分析。

　　速度過沖分為兩種情況：

　　· 速度模式下的實際速度過沖

　　· 位置模式下的速度指令過沖

　　下面我們將逐個情況討論。

　　3.1 速度模式下的實際速度過沖

　　我們常說速度超調過沖是由于控制參數比例項KPn和積分項1/TNn調的過大導致，但仔細分析會發現，速度模式下的實際速度過沖不僅與速度環的KPn/TNn有關，還與內環電流環的參數有直接的關系，且主要受下面幾個因素影響：

　　(1)速度響應的固有延時

　　(2)電流環指令濾波

　　(3)電流環的最大電流限制

　　(4)速度環控制比例項KPn或TNn

　　3.1.1 速度響應的固有延時

　　速度指令進入速度環后與實際速度閉環經過PI運算輸出q軸電壓Uq和d軸電壓Ud。Uq和Ud經過Park逆變換和SVPWM運算后輸出PWM信號開關IGBT，將高壓PWM信號作用于電機UVW三相上。由于電機線圈是感性器件，因此產生的電流與相電壓比會有一定的延時，而且軟件的計算也會產生一定的延時，電流與磁場產生力的作用再到推動電機轉子克服摩擦力轉動，這些都是無法消除的一些系統上的延時。

　　這就導致即使是在電流環不開濾波器且速度環處于最佳控制參數情況下，實際速度曲線與速度指令之間仍會有固定的延時Td。對于一個伺服驅動器加電機的系統來說，Td是一個固定值。Td的值一般在1ms左右。

　　這個固有延時Td對速度環的性能影響是比較大的。它決定了速度環響應能力的上限。

　　在速度環KPn和TNn一定的情況下，若Td的更大，則加減速時更易產生過沖。反之，Td越小越不易過沖。在理想情況下Td=0且電流環指令濾波完全關閉時，速度環的KPn可以調的很大仍不過沖。

圖2實際速度波形比較

　　圖2是Td=0與Td=1ms時，在相同的KPn/TNn及關閉電流環濾波參數，并且同樣控制參數設置情況下，實際速度波形比較。可以看到，Td=1ms時，實際速度Nact產生了過沖震蕩，影響還是比較大的。

　　3.1.2 電流環指令濾波

　　電流環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，對電流環的響應能力造成影響。電流環的響應能力的下降，也不可避免的對速度環的響應能力造成影響。

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

圖3 實際速度波形比較

　　圖3是理想情況下Td=0時，在相同的KPn/TNn情況下，關閉電流指令平滑濾波與打開電流指令平滑濾波的實際速度波形比較。可以看到在同樣參數設置下，使用電流環平滑濾波時實際速度Nact產生了過沖。這是由于使用了電流環指令濾波后，電流環響應能力變差造成的。

　　3.1.3 電流環的最大電流限制

　　在速度模式下，當負載過大且加減速度比較大時，速度環可能會輸出一個較大的電流指令。如果超過伺服驅動器允許的最大值，導致電流環輸出能力飽和，就會進行電流指令最大值限制。這樣驅動器就達不到預期的輸出轉矩，導致實際速度響應跟不上速度指令的變化。

　　圖4 實際速度波形比較

　　圖4是理想情況下Td=0時，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際速度波形比較。可以看到在速度模式下，實際速度的響應只是變慢了，但沒有發生過沖。

　　3.1.4 速度環控制參數KPn或TNn

　　控制參數KPn是速度環比例增益，TNn是速度環積分時間。

　　圖5 實際速度波形比較

　　通過圖5可以看到，在不開啟電流環濾波，Td=1ms的情況下，如果KPn和TNn調整適中，則實際速度無過沖。若KPn設置比較大，則發生過沖。若TNn設置比較小，也會發生過沖。

　　3.1.5 速度模式下的調試方法

　　綜上所述，在速度模式下，實際速度發生過沖是KPn,TNn以及電流環共振抑制濾波和平滑濾波共同作用的結果。這些參數互相耦合，導致現場調試困難。參數值調小了導致速度響應不夠及時，調大了則會引起速度過沖。

　　我們在調試過程中可以參考下面的方法：

　　電流環是內環，電流環的性能如果不好會直接影響速度環的性能。因此在調試過程中，要先注意電流環參數的調整。電流環濾波參數在滿足應用需求的情況下應該盡可能的小，不宜調的過大影響電流環的響應能力。

　　在電流環響應性能得到最佳發揮的情況下，再調整速度環的KPn和TNn。可以先將TNn設置的比較大，減弱積分項的作用，然后根據實際速度曲線的響應情況來調整KPn的值，使實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生過沖。這時在勻速運行狀態下，實際速度可能與速度指令相比有個誤差。這就需要通過減小TNn來消除這個穩態誤差。最終達到實際速度曲線既有良好的跟隨性，又沒有過沖和穩態誤差。

　　3.2 位置模式下的速度過沖原因及調試方法

　　伺服驅動器在大多數情況下工作在位置模式。位置環是最外環，位置環的性能直接受到速度環和電流環性能的影響。因此，位置環的調整比之前速度環的調整更為復雜。主要受下面幾個因素影響：

　　(1) 速度響應的固有延時

　　(2) 電流環指令濾波

　　(3) 電流環的最大電流限制

　　(4) 位置環控制比例項KPp

　　(5) 位置環加速度平滑濾波器

　　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行分析。

　　3.2.1 電流環最大電流限制

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

　　圖6 電流環飽和后速度曲線的對比

　　3.2.2 位置環控制比例項KPp

　　控制參數KPp是位置環比例增益。位置環的輸出是速度指令Nref=KPp*Perr。

　　由公式可以看出，如果電流環飽和后導致速度增加比較慢，此時位置誤差Perr在不停的累計增大。在相同KPp的情況下，速度指令Nref就會產生過沖，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。由于位置環只有比例項沒有積分項，因此如果KPp偏小，可能導致最終停止時有一定的位置偏差。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，其主要作用是對加減速度進行平滑濾波，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相同情況下，使用加速度平滑濾波后，實際速度過沖得到了很好的控制。

　　3.2.4 速度前饋參數

　　圖9 速度前饋

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

　　前饋控制優點是將位置指令中的速度信息全部或部分直接引入調節裝置，使速度的響應比反饋控制更及時。

　　圖10 速度波形對比

　　從圖10是在控制參數完全一樣的情況下，不引入速度前饋和引入速度前饋的速度波形的對比。可以看到使用速度前饋后，速度指令和實際速度明顯提前。這是因為不引入速度前饋時，速度指令只能靠KPp*Perr來生成，而Perr是個逐漸積累的過程，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。

　　3.2.5 位置模式下的調試方法

　　綜上所述，在位置模式下，速度發生過沖是加速度平滑濾波器、速度前饋、 KPp、KPn、TNn以及電流環共振抑制濾波和平滑濾波共同作用的結果。這些參數互相耦合，導致現場調試十分困難。

　　我們在調試過程中可以參考下面的方法：

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

　　4 小結

　　雖然現在的伺服驅動器大都具有參數自整定功能，但對于要求高的應用場合，依然需要人工手動調整。在現場調試過程中，了解現象背后的成因，熟悉每個控制參數的作用，對現場調試工程師來說仍然是重要且必要的。在調試時要秉承先調整好內環參數再調整外環參數的原則，綜合考慮各個環上每個參數的特點，最終達到速度響應快，位置精準度高，實際速度不過沖不滯后，從而達到最佳的控制效果。

　　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：

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

　　通訊地址：上海市浦東新區龍東大道3000號9號樓3樓

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