控制器優(yōu)化的關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面。

（1）動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性的衡量標(biāo)準(zhǔn)為頻響特性的帶寬以及對(duì)于階躍信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

系統(tǒng)階躍響應(yīng)（一）

（2）穩(wěn)定性

可以通過開環(huán)特性的幅值與相角裕量來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以通過超調(diào)的大小來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如下圖所示。

系統(tǒng)階躍響應(yīng)（二）

小的控制器比例增益有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此可見，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性是相互矛盾的。在調(diào)試過程中，應(yīng)在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下盡量提高其動(dòng)態(tài)特性。

（3）精度

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

系統(tǒng)階躍響應(yīng)（三）

控制器的積分可以用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，同時(shí)比例增益越大，精度越高。

（4）系統(tǒng)魯棒性

魯棒性是指在運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)特性的能力，如下圖所示。其中包括：

系統(tǒng)階躍響應(yīng)（四）

①機(jī)械特性發(fā)生變化；

②電機(jī)特性由于溫度引起的變化等。

影響系統(tǒng)魯棒性的因素有很多，如驅(qū)動(dòng)器的輸出能力、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。

（5）控制信號(hào)限制

由于電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)器輸出能力的限制，因此要考慮控制信號(hào)的限制，如下圖所示。例如在設(shè)定負(fù)載的加速度時(shí)，就要考慮其加速扭矩是否已經(jīng)超出了驅(qū)動(dòng)器或者電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。

系統(tǒng)階躍響應(yīng)（五）

（6）抗干擾與抗噪聲能力

①低頻擾動(dòng)，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(jī)與機(jī)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(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的優(yōu)化

通常情況下，伺服系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)組成，3個(gè)閉環(huán)是由內(nèi)到外互相包容的。也是就說，速度環(huán)包含電流環(huán)，而位置環(huán)又包含速度環(huán)。在極少數(shù)場合中，還會(huì)遇到只有位置環(huán)與電流環(huán)的情況，不過只是在特殊應(yīng)用中。典型的三環(huán)控制回路如下圖所示。

三環(huán)控制回路

在優(yōu)化過程中，建議按照由內(nèi)到外的順序，即先優(yōu)化電流環(huán)，再優(yōu)化速度環(huán)，最后整定位置環(huán)參數(shù)。在伺服驅(qū)動(dòng)中，電流控制器的參數(shù)是根據(jù)電機(jī)的參數(shù)確定的，包括電機(jī)的額定電流、轉(zhuǎn)矩常數(shù)等。而在電流控制器的反饋通道上，用到電機(jī)的模型，里面涉及電機(jī)的感抗及阻抗等參數(shù)。因此說，電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確與否對(duì)電流環(huán)的參數(shù)起著重要的影響。

當(dāng)用SinamicsS120對(duì)西門子電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，僅僅需要核對(duì)電機(jī)的序列號(hào)，電流控制器參數(shù)會(huì)自動(dòng)默認(rèn)。如果用S120驅(qū)動(dòng)第三方電機(jī)，就需要認(rèn)真核對(duì)電機(jī)的每個(gè)參數(shù)，并需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)識(shí)別。對(duì)于電流環(huán)特性的衡量，可以通過伯德圖來進(jìn)行判斷，通常情況下，電流環(huán)的帶寬要求在1000Hz左右。需要注意的是，電流環(huán)的特性不是越硬越好，因?yàn)樵陔娏鳝h(huán)的外層還有速度控制環(huán)，在速度控制器輸出的急劇調(diào)整狀況下，過硬的電流環(huán)特性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

使用過程中，需要大力調(diào)整的控制器是速度控制器，在對(duì)電流環(huán)進(jìn)行整定的基礎(chǔ)上，速度環(huán)的比例增益與積分時(shí)間是最關(guān)鍵的整定參數(shù)，也是使用最頻繁的參數(shù)。根據(jù)控制器優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)及方法，可以對(duì)速度控制器進(jìn)行整定。整定的原則就是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，將動(dòng)態(tài)特性調(diào)整到最高。一些高性能伺服驅(qū)動(dòng)器為用戶提供了自動(dòng)優(yōu)化的功能，自動(dòng)優(yōu)化的過程中需要測量電機(jī)與負(fù)載的慣量，對(duì)電流環(huán)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，最后給出優(yōu)化后的速度控制器參數(shù)。但是由于充分地考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果都是比較保守的參數(shù)，因此用戶可以在自動(dòng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上再對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。參考的依據(jù)是系統(tǒng)的伯德圖或者是階躍響應(yīng)。一般情況下，要保證速度環(huán)的帶寬在100～200Hz。

在對(duì)電流環(huán)與速度環(huán)進(jìn)行優(yōu)化之后，可以以一定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，檢查其運(yùn)行的平穩(wěn)性。最后就是對(duì)于位置控制器的整定。對(duì)于位置控制器，多數(shù)場合系統(tǒng)默認(rèn)的都是比例控制，沒有積分與微分環(huán)節(jié)。對(duì)于比例增益，推薦的方式是從一個(gè)較小的值逐漸向大調(diào)整，直到滿足系統(tǒng)定位精度的要求。

編輯：黃飛

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