伺服驅動器轉速控制技術探討

區(qū)均灌

摘要： 為了將伺服驅動器的速度環(huán)內的響應和抗干擾能力進一步的提升，本論文提出了一種擁有轉速觀測器的速度環(huán)設計和建立的辦法。通過有效的建模將速度閉環(huán)分解為前向和反饋兩種控制，并對這兩種控制進行分析，同時將擁有Bang-Bang控制的前向抗積分飽和和PI速度調節(jié)器設計出來，在符合狀態(tài)方程能控基礎之上，將依據(jù)轉速觀測器方法設計的速度反饋控制器進行有效的提出。

關鍵詞： 伺服驅動器;速度環(huán);M/T測速法;PI調節(jié)器;轉速觀測器

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）16-0215-02

1M/T和速度環(huán)建模的原理

1.1速度環(huán)建模

驅動器通常的控制對象都是永磁同步電機，這類電機所對應的模型通常為非線性的、強耦合的系統(tǒng)。因此為了能夠控更加的線性化，需要在進行驅動器具體的設計過程中，在矢量控制的基礎上將直軸的電流設計為零。另外必須說明的是，矢量控制的基本理念是進行坐標的轉換，將定子電樞電流的矢量分解為直軸電流（勵磁電流分量），以及交軸電流（轉矩電流分量），將上述兩電流進行正相相交。之后在將直軸電流設為零，如此可以將算法進一步的簡化，這樣的做法是在普通的同步電機之上，可以對直流電機的控制曲線和規(guī)律進行進一步的模擬處理，并在最后真正的實現(xiàn)線性的解耦調節(jié)。具體情況詳見下面圖1所示。（注：圖1為交流伺服驅動器系統(tǒng)電流、速度雙閉環(huán)動態(tài)結構圖）

依據(jù)設計中多環(huán)控制的先內后外原則，應該先將GACR設計出來，之后才將圖1中虛線部分所示的內容視為一個整體環(huán)境進行速度環(huán)的設計。通過資料分析可以知道，電流環(huán)的傳遞函數(shù)可以被簡化成為1個1階的部分環(huán)節(jié)。將電流環(huán)等效的環(huán)節(jié)替代圖1中虛線內的部分后，可以得到下面圖2。（注：圖2為交流伺服驅動器系統(tǒng)速度環(huán)動態(tài)結構圖）

通過對圖2的分析，并且將GASR（設計速度調節(jié)器）、GSF（速度反饋控制器）的有關參數(shù)確定后，可以實現(xiàn)對整個速度環(huán)的設計。

1.2M/T測速法原理及誤差分析

現(xiàn)如今伺服驅動控制廣泛采用的編碼器，都為增量式的光電編碼器。這種光電編碼器經(jīng)常使用的數(shù)字測速方法有三種，分別是M法、T法、M/T法。三種方法的介紹詳見表3，M/T法原理如圖3所示（注：圖3為M/T測速法原理圖）。

序號方法具體表示

1M 法又稱為測頻法，是在一定的時間窗口內測取光電旋轉編碼器所輸出的脈沖個數(shù)，用以計算這段時間窗內的平均轉速。

2T 法又稱為測周法，是在光電旋轉編碼器兩個相鄰的脈沖輸出間隔時間窗口內，用一個計數(shù)器對已知頻率的高頻時鐘脈沖進行同步計數(shù)，并由此來計算電機轉速，其測速的時間窗口大小依賴于光電旋轉編碼器輸出的脈沖周期。

3M/T法測速法則綜合了M 法和T 法（表3）

2帶有轉速觀測器的速度環(huán)設計

2.1速度調節(jié)器設計

依據(jù)建模的有效分析可以知道，驅動器其速度環(huán)設計為GASR（速度調節(jié)器設計），以及GSF（速度反饋控制器設計）兩個部分，那么如何使用最為有效的手段實現(xiàn)前向設計，就是整個驅動系統(tǒng)的關鍵所在。通過圖2可以將速度調節(jié)器控制對象的傳遞函數(shù)推演出來，具體如下：

（公式1）

由此可見速度環(huán)控制的是一個積分和慣性環(huán)境相串聯(lián)的對象。并且為了實現(xiàn)轉速沒有靜態(tài)差存在，將一個積分環(huán)節(jié)放置于負載擾動作用點之前是必須的，其包含在速度調節(jié)器當中。又因為在擾動作用點后已經(jīng)設置了一個積分，因此需要將速度環(huán)設計成Ⅱ型。如此就可以滿足基本的需要了，所以將速度調節(jié)器選為PI調節(jié)器，其基本公式如下所示：

（公式2）

從具體的使用角度來看，若是將速度調節(jié)器不飽和進行限制，在電機啟動或是速度轉變時，會產(chǎn)生非常大的超調，因此在本次設計當中，將速度調節(jié)器設定成有Bang-Bang控制機制的前向抗積分飽和PI 調節(jié)器，具體詳見下圖4所示。（注：圖4為交流伺服驅動器系統(tǒng)速度調節(jié)器結構圖）

2.2轉速觀測器設計

本次設計作為閉環(huán)的運動控制設計，其轉速的精度高低，對于驅動器的速度反應和位置追蹤的提升有著非常重要的作用，而為了將傳統(tǒng)驅動器速度環(huán)中M/T測速法存在的弊端克服，目前采用了四種方法，具體方法以及利弊詳見下面表5。

實事上在驅動器速度環(huán)之上采用全維觀測器不是必然需要的，因為要重新設置狀態(tài)變量只有速度變量可以用，同

序號方法利弊

1

2

3

基于神經(jīng)網(wǎng)絡預測法

擴展卡爾曼濾波技術

模型參考自適應法雖然可以有效提高速度測量精度和范圍，但是加大了計算量，致使系統(tǒng)變得更為復雜， 目前尚不能應用于實際工程設計

4全維轉速觀測器法基于全維狀態(tài)重構法使得前向調節(jié)器設計與速度觀測器控制無法完全解耦，實現(xiàn)起來依然困難

時輸出變量里還含有可以進行直接測量的狀態(tài)變量。所以相對使用狀態(tài)反饋來說將速度觀測器引入將會幫助設計變得更為簡易，具體詳見下圖5所示。（注：圖5為電機轉速估計的反饋觀測器設計模型）

結束語

本次研究將擁有轉速觀測器的驅動器速度閉環(huán)設計方法進行了提出，同時將速度調節(jié)器抗積分飽

和PI控制器也設計了出來，其做到了兩個優(yōu)點，第一是提升了速度閉環(huán)調節(jié)器的靈敏性能，第二是將智能算法引入給系統(tǒng)帶來的困難進行了克服，希望本文能夠幫助廣大的設計單位，在驅動器設計過程中進行參考和借鑒。

參考文獻

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