交流伺服驱动器的控制结构及基本整定

伺服驱动器要实现精确的电机控制，有两种常见的控制结构。

三环嵌套结构：

从内到外分别是电流环，速度环和位置环如图1所示：

图1：三环嵌套结构

双环控制结构:

在三环嵌套的结构上去掉速度环，如图2所示:

图2：双环控制结构

目前有的伺服驱动器产品，可在这两种控制策略之间切换，如ABB的伺服驱动器。通过CONFIG参数，当CONFIG(0)=_cfSERVO时，选择为传统的三环嵌套结构。当CONFIG(0)=_cfTORQUE_SERVO时，选择为双环控制结构。

双环控制结构介绍

双环结构具有位置跟踪精度高、频响高，高频噪音抑制能力强、参数整定简单等优点。但与三环结构相比，相位裕度相对较低，其稳定性较差，无法对速度进行直接控制。

双环结构是在三环嵌套机构上发展而来，三环结构去掉速度环后，相位滞后严重，相位裕度小于零，控制处于失稳状态。需要串入相位超前环节，以补偿失稳状态。

补偿失稳后，抗高频噪声干扰能力降低。需要再加入高阶低通环节，以提升抗高频噪声抑制能力。

衡量伺服控制性能的三个维度是轨迹跟踪能力、噪音抑制能力和稳定性。对双环进行优化后，跟三环控制结构比较，其轨迹跟踪能力和噪音抑制能力都得到了增强，但稳定性有所降低。同时，由于去除了速度环，带宽频响明显提高，比三环结构提高约50%。

三环嵌套结构简介

三环结构常见的两种控制策略是PI-P-PI和P-PI-PI。

PI-P-PI控制策略

在这种控制策略中，电流和位置环采用比例积分调节，速度环采用比例调节。位置环采用PI的好处是，轨迹跟踪能力强，动态跟踪可自动消除斜坡指令的跟踪误差，不需要前馈环节。这种策略的缺点是会产生定位超调。位置控制要求在不产生抖震的前提下的零超调，这是伺服控制的本质。

从控制理论的角度，这种控制策略的开环传递函数有两个积分器，是一个II型系统，不用前馈即可自动抵消动态跟踪误差。

P-PI-PI控制策略

这种控制策略中，位置环采用比例调节，速度和电流环采用比例积分调节，这也是最常采用的PID控制策略。这种控制策略的开环传递函数只有一个积分器，是一个I型系统。可保证阶跃信号零误差，但斜坡信号和加速度指令都一定会产生稳态误差，甚至跟踪误差会逐渐增大。因此，一般在这种控制策略上，经常需要加入前馈环节，以消除运动过程中的动态跟踪误差。ABB的伺服驱动器即是这种带前馈控制的三环嵌套结构，其三个环采用P-PI-PI策略。如图3所示：

图3：带前馈的三环嵌套结构

在前文：“交流伺服驱动器电流环的整定”中，已经讨论过电流环整定。以下篇幅我们讨论P-PI-PI控制策略速度和位置环的整定：

速度环整定

速度环的整定，主要分析实际速度曲线和给定速度曲线，保证速度响应，没有明显的速度过冲，且没有震荡。

速度环采用PI策略，因此，速度环一般调整KVPROP和KVINT。KVPORP给速度曲线引入阻尼项，可抑制速度过冲，KVINT可提升速度响应。

测试条件：

速度=20r/s,

距离=5r

加减速时间=100ms

定性分析，固定KVINT=200,更改KVPORP时，观察其曲线，如图4所示：

图4：比例增益对速度环的作用

由图可见，增大KVPORP后，过冲得到了明显抑制。

再次定性分析，固定KVPROP=2.5,更改KVINT时，观察其曲线，如图5所示：

图5：积分增益对速度环的作用

由图可见，增大KVINT后，动态跟随误差明显减小，但KVINT的增大，同时引入了过冲，需要再加大KVPROP以抑制过冲。

整定开始时，需判断当前的主要矛盾是过冲还是跟随滞后，然后确定初始调整的参数。交替调整PI参数，直至获得较满意的速度环整定效果。

位置环的整定

依据P-PI-PI策略，位置环只有比例系数可以整定。但带前馈的三环控制结构，在位置环引入了速度前馈和加速度前馈。因此除了KPROP比例参数外，还有速度前馈KVELFF和加速度前馈KACCEL两个前馈项可以整定。

位置环，主要观察的参数是跟随误差。相对于伺服轴的位置值，跟随误差是个很小的数值，一般把跟随误差用单独的Y轴显示，如图6所示：

图6：位置环曲线

如上图所示，在加减速阶段，跟随误差最大约为0.008r,即：2.88度（粉红色纵轴）。

在整定时，可逐渐增加KPROP，以降低跟随误差的峰值和宽度，同时降低伺服轴的停止时的稳定时间。当开始有震荡倾向时，再次降低KPROP,以获取最小的跟随误差幅值。如下图所示，当KPROP从0.26增大到0.5时，最大跟随误差从0.006r降低到0.005r左右，但KPROP=0.5时，跟随误差有震荡倾向，如图7所示：

图7：比例增益对跟随误差的作用

以上步骤完成后，可尝试投入前馈参数。

一般情况下，速度前馈即KVELFF参数不用调整，只需关心加速度前馈KACCEL。加速度前馈可以从0.1开始逐渐增加，可以增大到200甚至更高。当跟随误差曲线有再次变大的倾向时，降低KACCEL参数。

如下图，在KPROP=0.25时，把KACCEL设为90时，最大跟随误差降低到0.002r，即0.72度左右，如图8所示：

图8：加速度前馈对跟随误差的作用

加速度前馈在加减速度越快时，其效果越明显。前馈参数主要在运动过程中减小或消除跟踪误差。前馈工作在传统的反馈环之外，不会导致系统的不稳定。

ABB伺服驱动器的位置环，可以设置在定位结束时投入积分器，以期在运动停止时，消除跟踪误差。在运动过程中，高增益会引起系统的不稳定，特别是积分增益。常用的办法是使用选择性积分，即仅当定位时才投入积分器，以使积分器消除任何剩余的误差。

伺服环的算法，是非常复杂的，涉及很多理论模型和控制理论。本文未介绍理论公式，仅从实践和经验的角度，对工作心得做定性的梳理和总结……