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                                            伺服慣量與驅動控制

                                            文章來源:銳特步進電機 時間:2020-11-17 09:03:33 瀏覽:

                                              運動控制中的慣量對于咱們電氣驅動有多重要。

                                              如果我們對驅動控制環有所了解,就不難在控制環各個當量之間的運算關系中發現一些比較有意思的現象。這個現象和各個當量之間傳遞系數的單位轉換有關。

                                              上圖是目前驅動器做位置控制時的典型控制環框架圖。

                                              以旋轉運動為例,在這樣的控制框架中,輸入側為位置指令,當量單位為 rad;輸出為電機扭矩,Nm;

                                              在這個過程中,位置給定和位置反饋比較后成為位置誤差,當量單位仍為 rad,與位置環增益相乘,計算結果給定到速度環,單位為 rad/s 也就是 1/s, 所以位置環增益的當量單位為 1/s;

                                              但是,速度給定與速度反饋比較后的速度誤差,單位也是 1/s,到最后的轉矩輸出 Nm 是如何轉換的呢?

                                              我們知道轉矩的當量是 Nm, 也就是 力 N 和 長度 m 的乘積,而:

                                              1 N = 1 kg m/s2

                                              所以:

                                              1 Nm = 1 kg m/s2 · m

                                              也就是

                                              = 1 kg m2/s2

                                              要從前面的速度單位 “1/s” 運算到這個轉矩的單位 “kg m2/s2”,需要與兩個當量單位做乘法:

                                              一個是 1/s,與時間頻率有關,是速度環增益的單位;

                                              另一個是 kg m2,這個恰恰是慣量的單位,是從電流環給定到電機扭矩輸出的傳遞系數。

                                              速度環和位置環的增益系數都是以 1/s 為單位的頻率值,這個并不難理解,因為它們反映了驅動器對于速度和位置的動態響應能力;

                                              而后面這個電流環給定到電機扭矩輸出的傳遞系數的單位和慣量單位是一樣,都是 kg m2 ,這又是幾個意思呢?

                                              讓我們從頭看一下控制環的運算過程。

                                              在位置環,將位置指令(實際上是位置誤差)值求了一次導,即 d/dt 了一次,從而得出軸當前的速度指令,自然位置環增益的系數單位是 1/s 了;

                                              在速度環,將速度指令(實際上是速度誤差)值再求一次導,即又 d/dt 了一次,從而得出軸當前的加速度指令,自然速度環增益的系數單位也是 1/s 咯;

                                              也就是說,從速度環輸出給到電流環的值,其實是軸的加速度值,單位是 1/s2 ,也就是我們前文書中提到的 β。

                                              那么,既然有了角加速度值,要給出電機的轉矩輸出,還記得我們前文書中關于牛頓第二定律在回轉運動中的表述么:

                                              M = I β

                                              M:轉矩(Nm)

                                              I :轉動慣量(kg · m2)

                                              β:加速度(1/s2)

                                              這就解釋了我們之前發現的那個有趣的現象了,電流環給定到電機扭矩輸出的傳遞系數的單位和慣量單位是一樣,都是 kg m2,而事實上,這個系數就是運動系統的慣量。

                                              那么驅動器輸出給電機的電流是如何計算出來的呢?

                                              這里就要提到電機的 "電流 / 扭矩" 比了。從電機學的基本原理我們知道,對于永磁同步電機,當轉速不變時,電機輸入電流和輸出轉矩是成正比的,有一個固定的系數,這個系數是各個伺服電機自身的固有特性。所以,當驅動器運算出電機輸出轉矩值后,只需要將其與這個系數做個乘法,即可得出驅動器輸出電流(也就是電機輸入電流)了。

                                              從這里也可以解釋,為什么大部分伺服廠家通常更推薦使用自己和合作伙伴品牌的電機;以及為什么在挑選新的驅動和電機匹配時,要反復做電機特性的測試、評估,都是考慮到對伺服電機特性更精準的把握。

                                              運控系統(主要是驅動器)在進行放大運算時,是按照上面說的順序逐步執行的,但實際上電氣人員在現場應用調試的時候,卻是反過來調整各個控制環參數的。

                                              也就是說在控制環整定時,是從內環向外環方向整定的,先是從離電機較近的電流環開始整定,然后才是速度環和位置環。如果不能有效得出系統慣量值,就無法整定出準確的速度環和位置環參數,自然也很難確保系統的動態響應性能。這個,無論是手動抑或是自適應整定,其原理也都是一樣的。只是手動整定時,需要根據機械參數手動計算出慣量大小,而自適應則是控制系統借助一系列內置的自適應算法動態適配出系統慣量,但不管怎樣,都得先搞定慣量值和電流環,才能進行后面的整定。

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