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[導(dǎo)讀]伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)為外環(huán),電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。通常,電流環(huán)的帶寬比速度環(huán)高很多,在設(shè)計(jì)速度控制器時(shí),電流環(huán)可等效為一階慣性環(huán)節(jié),控制框圖如下:

一、控制器設(shè)計(jì)
速度環(huán)是一個(gè)典型的II型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)為:

對(duì)應(yīng)的bode圖如下:

其中,ωcωc是速度環(huán)的截止頻率,ωcωc越大,速度環(huán)響應(yīng)越快,抗干擾能力越弱,反之,ωcωc越小,速度環(huán)響應(yīng)越慢,抗干擾能力越強(qiáng)。 從上圖可以看出,ωcωc的上限是電流環(huán)的等效截止頻率1Ti1Ti,通常為了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,ωcωc的取值要遠(yuǎn)小于1Ti1Ti。
h是斜率為-20dB/dec的中頻段的寬度,稱為中頻寬:

中頻寬h的大小對(duì)控制系統(tǒng)起著決定性的作用,工程上一般在3~10之間選擇。
根據(jù)(2)式有:

因此,選定中頻寬h以后,就能根據(jù)(3)式確定速度控制器的積分系數(shù)TωTω。

在截止頻率ωcωc附近,開環(huán)傳遞函數(shù)(1)式可近似為:



根據(jù)|Go(jωc)|=1|Go(jωc)|=1,可計(jì)算出速度環(huán)的比例系數(shù):


二、設(shè)計(jì)實(shí)例
假設(shè)被控系統(tǒng)的參數(shù)如下:

中頻寬h取值為4,再根據(jù)閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則,確定速度環(huán)截止頻率ωcωc。

截止頻率為:


根據(jù)(3)式計(jì)算速度環(huán)的積分系數(shù)為:



根據(jù)(5)式計(jì)算速度環(huán)的比例系數(shù)為:


三、慣量辨識(shí)
根據(jù)(5)式,速度控制器的比例系數(shù)與被控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包含電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般可通過(guò)電機(jī)廠商提供的手冊(cè)查詢,而負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無(wú)法直接測(cè)量,有些場(chǎng)合負(fù)載慣量還是時(shí)變的,比如包裝和冶金等行業(yè)。
因此,通過(guò)慣量辨識(shí)算法辨識(shí)出系統(tǒng)的慣量是設(shè)計(jì)速度控制器的關(guān)鍵。慣量辨識(shí)通常分為離線辨識(shí)和在線辨識(shí)。
離線辨識(shí)常見的方法是控制電機(jī)按梯形速度命令運(yùn)轉(zhuǎn),根據(jù)T=Jω˙T=Jω˙計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

離線辨識(shí)不適合系統(tǒng)慣量時(shí)變的場(chǎng)合,或者有些系統(tǒng)不允許單獨(dú)進(jìn)行慣量辨識(shí),針對(duì)這些應(yīng)用,需要在系統(tǒng)正常工作時(shí)實(shí)時(shí)辨識(shí)出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,并實(shí)時(shí)更新速度控制器參數(shù),稱為慣量在線辨識(shí)。

四、負(fù)載觀測(cè)器
除了慣量辨識(shí)外,影響速度環(huán)性能的另一個(gè)重要因素是負(fù)載的擾動(dòng),如下圖所示,在t1t1時(shí)刻,當(dāng)負(fù)載TLTL突然增加時(shí),實(shí)際速度將有一個(gè)明顯的跌落,反之,當(dāng)負(fù)載突然減少時(shí),實(shí)際速度將會(huì)有一個(gè)明顯的上升。

這時(shí),如果單純依靠速度控制器去調(diào)節(jié),速度恢復(fù)的過(guò)程將顯得”非常漫長(zhǎng)”,為此,伺服驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)設(shè)計(jì)負(fù)載觀測(cè)器,實(shí)時(shí)估算出負(fù)載T^LT^L,并直接加到轉(zhuǎn)矩給定中,當(dāng)負(fù)載突然增大或減小時(shí),負(fù)載觀測(cè)器能更快地補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩給定, 讓實(shí)際速度更快地恢復(fù)到給定值,從而提高速度環(huán)的整體性能。
帶慣量辨識(shí)和負(fù)載觀測(cè)器的速度控制框圖如下:


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