伺服驱动器速度过冲的原因分析及调试方法

文：施耐德电气（中国）有限公司高级固件工程师 丁宇尘2022年第三期

　　本文主要介绍了伺服驱动器的电流、速度和位置三环控制部分的框架结构，定性的阐明了伺服驱动器运行时速度过冲的根本原因，各个控制参数的作用以及不同模式下的调试方法。对于性能要求比较高、需要人工调整参数的场合来说，掌握这些知识和方法可以为伺服驱动器的现场调试提供很好的帮助。

　　1 前言

　　伺服系统(Servomechanism)又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统常工作于闭环的位置模式，使其具有精准的位置跟随能力。伺服系统也有一部分的应用是工作在速度模式。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置三闭环PID控制算法。在现场调试过程中，时常发生实际速度超调过冲的情况，这将对伺服的定位精度产生负面影响。为何会出现这样情况，以及遇到这样的情况如何调整参数，对于现场调试人员来说具有积极的意义。

　　2 伺服驱动器的三环控制结构

　　Easy Lexium 16 位置控制模式的三环控制模型如图1所示。

图1 Easy Lexium 16 位置控制模式三环控制模型

　　2.1 电流环

　　电流环在三环控制中位于最内侧，我们称之为内环。因此电流环的性能好坏会直接影响到速度环和位置环的性能。电流环是电流指令与采样的电机电流形成闭环，一般是通过PI算法控制，而且PI值的确定与电机参数有关，因此基本不对用户开放，用户也无需调整。

　　电流环调整的参数有3种：

　　· 最大电流限制

　　· 陷波滤波器(一组参数)

　　· 电流指令平滑滤波器

　　最大电流限制：当负载惯量比比较大且加速度较大时，伺服启动器需要输出较大的电流。如果超过了最大电流限制值，输出电流就会被限制到该最大电流限制值。最大电流限制会限制伺服驱动器的最大输出转矩，在大负载大加减速度时导致电流环响应能力受限。

　　陷波滤波器：陷波滤波器的作用是用来消除系统共振。一般由陷波滤波器阻尼，陷波滤波器频率和陷波滤波器带宽三个参数组成。现在的伺服都使用自适应陷波滤波器，当系统发生共振时，驱动器自动测量振动频率、带宽等特性，并自动设置这三个参数，一般无需人工干预。

　　电流指令平滑滤波器：这是一个低通滤波器，主要用来滤除电流指令中的高频干扰。

　　陷波滤波器和电流指令平滑滤波器都有可能带来电流环响应的延迟。由于电流环是内环，因此电流环响应能力的不足也不可避免的会对速度环响应能力带来负面影响。

　　2.2 速度环

　　速度环的速度指令输入与采样到的电机编码器的速度信号形成闭环，在三环当中处于中间位置，因此速度环的性能会受到电流环性能的影响且会直接影响到位置环的响应性能。速度环一般只采用比例积分控制，即PI控制。

　　速度环调整的参数大致有6种：

　　· 最大速度限制

　　· 超调抑制

　　· 速度指令平滑

　　· 加速度前馈

　　· 摩擦补偿

　　· 比例增益KPn和积分时间TNn

　　其中最常用的参数有3种：

　　· 最大速度限制

　　· 速度指令平滑滤波

　　· 比例增益KPn和积分时间TNn

　　最大速度限制：用来限制电机的最大转速，单位是RPM(转/分)。

　　速度指令平滑滤波：这是一个低通滤波器，主要用来滤除速度指令中的高频干扰。

　　比例增益KPn和积分时间TNn：KPn也就是PI控制的比例项系数，和1/TNn也就是PI控制的积分项系数。

　　在速度环的调试过程中，负载电机惯量比、电机与负载连接刚度、电流环的最大响应能力等系统因素都必须被考虑。

　　2.3 位置环

　　位置环与采样到的电机编码器的位置信号形成闭环，在三环当中处于最外面的位置，称之为外环。一般位置环只采用比例增益控制而没有积分时间参数(P控制)。

　　位置环输入的位置指令中也包含速度和加速度的信息。对位置指令求导将得到指令中的速度信息，而对速度信息再次求导将得到加速度信息。

　　位置环调整的参数主要有4种：

　　· 加速度平滑滤波

　　· 位置指令平滑滤波

　　· 速度前馈

　　· 比例增益KPp

　　加速度平滑滤波：也就是常说的Jerk滤波器，本质是一个平均值滤波器，主要用来平滑位置指令中的加速度信息。

　　位置指令平滑滤波：这是一个低通滤波器，主要用来滤除位置指令中的高频干扰。

　　速度前馈：用来将位置指令中的部分或全部速度信息作为速度指令的一部分直接输入到速度环，这样可以提高位置环的响应速度。

　　比例增益KPp：位置环的比例增益参数。

　　3 速度模式下速度过冲原因及调试方法

　　在上一章中，我们主要介绍了伺服驱动器三环控制结构和控制参数。了解了三环结构和控制参数后，我们开始对速度过冲问题的成因进行分析。

　　速度过冲分为两种情况：

　　· 速度模式下的实际速度过冲

　　· 位置模式下的速度指令过冲

　　下面我们将逐个情况讨论。

　　3.1 速度模式下的实际速度过冲

　　我们常说速度超调过冲是由于控制参数比例项KPn和积分项1/TNn调的过大导致，但仔细分析会发现，速度模式下的实际速度过冲不仅与速度环的KPn/TNn有关，还与内环电流环的参数有直接的关系，且主要受下面几个因素影响：

　　(1)速度响应的固有延时

　　(2)电流环指令滤波

　　(3)电流环的最大电流限制

　　(4)速度环控制比例项KPn或TNn

　　3.1.1 速度响应的固有延时

　　速度指令进入速度环后与实际速度闭环经过PI运算输出q轴电压Uq和d轴电压Ud。Uq和Ud经过Park逆变换和SVPWM运算后输出PWM信号开关IGBT，将高压PWM信号作用于电机UVW三相上。由于电机线圈是感性器件，因此产生的电流与相电压比会有一定的延时，而且软件的计算也会产生一定的延时，电流与磁场产生力的作用再到推动电机转子克服摩擦力转动，这些都是无法消除的一些系统上的延时。

　　这就导致即使是在电流环不开滤波器且速度环处于最佳控制参数情况下，实际速度曲线与速度指令之间仍会有固定的延时Td。对于一个伺服驱动器加电机的系统来说，Td是一个固定值。Td的值一般在1ms左右。

　　这个固有延时Td对速度环的性能影响是比较大的。它决定了速度环响应能力的上限。

　　在速度环KPn和TNn一定的情况下，若Td的更大，则加减速时更易产生过冲。反之，Td越小越不易过冲。在理想情况下Td=0且电流环指令滤波完全关闭时，速度环的KPn可以调的很大仍不过冲。

图2实际速度波形比较

　　图2是Td=0与Td=1ms时，在相同的KPn/TNn及关闭电流环滤波参数，并且同样控制参数设置情况下，实际速度波形比较。可以看到，Td=1ms时，实际速度Nact产生了过冲震荡，影响还是比较大的。

　　3.1.2 电流环指令滤波

　　电流环指令滤波包括共振抑制滤波(陷波滤波器)和指令平滑滤波。这两种滤波都会造成电流指令的延迟，对电流环的响应能力造成影响。电流环的响应能力的下降，也不可避免的对速度环的响应能力造成影响。

　　在速度环KPn和TNn一定的情况下，若电流环指令滤波(共振抑制滤波/平滑滤波)越大，则加减速时更易产生过冲。反之，越不易过冲。

图3 实际速度波形比较

　　图3是理想情况下Td=0时，在相同的KPn/TNn情况下，关闭电流指令平滑滤波与打开电流指令平滑滤波的实际速度波形比较。可以看到在同样参数设置下，使用电流环平滑滤波时实际速度Nact产生了过冲。这是由于使用了电流环指令滤波后，电流环响应能力变差造成的。

　　3.1.3 电流环的最大电流限制

　　在速度模式下，当负载过大且加减速度比较大时，速度环可能会输出一个较大的电流指令。如果超过伺服驱动器允许的最大值，导致电流环输出能力饱和，就会进行电流指令最大值限制。这样驱动器就达不到预期的输出转矩，导致实际速度响应跟不上速度指令的变化。

　　图4 实际速度波形比较

　　图4是理想情况下Td=0时，在相同的KPn/TNn情况下，最大电流不被限制与最大电流限制情况下的实际速度波形比较。可以看到在速度模式下，实际速度的响应只是变慢了，但没有发生过冲。

　　3.1.4 速度环控制参数KPn或TNn

　　控制参数KPn是速度环比例增益，TNn是速度环积分时间。

　　图5 实际速度波形比较

　　通过图5可以看到，在不开启电流环滤波，Td=1ms的情况下，如果KPn和TNn调整适中，则实际速度无过冲。若KPn设置比较大，则发生过冲。若TNn设置比较小，也会发生过冲。

　　3.1.5 速度模式下的调试方法

　　综上所述，在速度模式下，实际速度发生过冲是KPn,TNn以及电流环共振抑制滤波和平滑滤波共同作用的结果。这些参数互相耦合，导致现场调试困难。参数值调小了导致速度响应不够及时，调大了则会引起速度过冲。

　　我们在调试过程中可以参考下面的方法：

　　电流环是内环，电流环的性能如果不好会直接影响速度环的性能。因此在调试过程中，要先注意电流环参数的调整。电流环滤波参数在满足应用需求的情况下应该尽可能的小，不宜调的过大影响电流环的响应能力。

　　在电流环响应性能得到最佳发挥的情况下，再调整速度环的KPn和TNn。可以先将TNn设置的比较大，减弱积分项的作用，然后根据实际速度曲线的响应情况来调整KPn的值，使实际速度曲线与速度指令曲线比，即有很好的跟随能力有不会产生过冲。这时在匀速运行状态下，实际速度可能与速度指令相比有个误差。这就需要通过减小TNn来消除这个稳态误差。最终达到实际速度曲线既有良好的跟随性，又没有过冲和稳态误差。

　　3.2 位置模式下的速度过冲原因及调试方法

　　伺服驱动器在大多数情况下工作在位置模式。位置环是最外环，位置环的性能直接受到速度环和电流环性能的影响。因此，位置环的调整比之前速度环的调整更为复杂。主要受下面几个因素影响：

　　(1) 速度响应的固有延时

　　(2) 电流环指令滤波

　　(3) 电流环的最大电流限制

　　(4) 位置环控制比例项KPp

　　(5) 位置环加速度平滑滤波器

　　与速度模式相同的因素(1)和(2)这里不再赘述，下面主要对于位置模式下情况不同的因素进行分析。

　　3.2.1 电流环最大电流限制

　　速度模式下，最大电流的限制只会导致实际速度上升的延迟，不会引起速度过冲。其特点是实际加速度恒定且小于指令加速度。而位置模式下，如果触发了最大电流限制则有可能导致速度指令和实际速度强烈的过冲。图6是速度模式与位置模式下，电流环饱和后速度曲线的对比。

　　图6 电流环饱和后速度曲线的对比

　　3.2.2 位置环控制比例项KPp

　　控制参数KPp是位置环比例增益。位置环的输出是速度指令Nref=KPp*Perr。

　　由公式可以看出，如果电流环饱和后导致速度增加比较慢，此时位置误差Perr在不停的累计增大。在相同KPp的情况下，速度指令Nref就会产生过冲，这种情况可以在图6的位置模式图中看到。

　　如果要消除速度指令Nref的过冲，那我们只需要减小KPp即可。由于位置环只有比例项没有积分项，因此如果KPp偏小，可能导致最终停止时有一定的位置偏差。要解决这一问题，就要使用下面提到的加速度平滑滤波器。

　　3.2.3 位置环加速度平滑滤波器

　　图7 加速度平滑滤波器

　　加速度平滑滤波器位于位置指令输入侧，其主要作用是对加减速度进行平滑滤波，用来减小加减速度值，也就是减小加减速过程中的最大电流。

　　图8 实际速度波形比较

　　由图8可以看出，在KPp保持不变且其他控制参数相同情况下，使用加速度平滑滤波后，实际速度过冲得到了很好的控制。

　　3.2.4 速度前馈参数

　　图9 速度前馈

　　从图9可以看出，速度前馈参数与位置控制器增益参数(KPp)是并列关系。也就是说位置指令中的速度信息通过速度前馈参数后的前馈速度，与位置误差通过位置控制器计算后产生的速度相加，相加后的速度作为速度环速度指令的输入到速度环。

　　前馈控制优点是将位置指令中的速度信息全部或部分直接引入调节装置，使速度的响应比反馈控制更及时。

　　图10 速度波形对比

　　从图10是在控制参数完全一样的情况下，不引入速度前馈和引入速度前馈的速度波形的对比。可以看到使用速度前馈后，速度指令和实际速度明显提前。这是因为不引入速度前馈时，速度指令只能靠KPp*Perr来生成，而Perr是个逐渐积累的过程，变化比较慢。引入速度前馈后，速度指令可以直接从位置环前端得到位置指令中的速度信息，从而提高了速度指令的响应。

　　3.2.5 位置模式下的调试方法

　　综上所述，在位置模式下，速度发生过冲是加速度平滑滤波器、速度前馈、 KPp、KPn、TNn以及电流环共振抑制滤波和平滑滤波共同作用的结果。这些参数互相耦合，导致现场调试十分困难。

　　我们在调试过程中可以参考下面的方法：

　　在调试过程中，先将速度前馈和KPp设置为较小的值，减小位置环参数的影响。用速度模式下的调试方法调整好电流环和速度环。然后根据最大电流是否被限制来调节加速度平滑滤波器，使位置指令的加速度值匹配伺服的最大限制电流值。最后在逐步调整速度前馈和KPp使伺服达到最佳性能。

　　4 小结

　　虽然现在的伺服驱动器大都具有参数自整定功能，但对于要求高的应用场合，依然需要人工手动调整。在现场调试过程中，了解现象背后的成因，熟悉每个控制参数的作用，对现场调试工程师来说仍然是重要且必要的。在调试时要秉承先调整好内环参数再调整外环参数的原则，综合考虑各个环上每个参数的特点，最终达到速度响应快，位置精准度高，实际速度不过冲不滞后，从而达到最佳的控制效果。

　　作者简介：

　　姓名：出生年月：1980年1月23日

　　性别：男学历：本科

　　所属单位：施耐德电气(中国)有限公司高级固件工程师 丁宇尘

　　职务：

　　研究方向：整合可编程逻辑功能的伺服驱动器，伺服驱动器的控制参数自整定算法

　　通讯地址：上海市浦东新区龙东大道3000号9号楼3楼

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