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交流伺服驱动器电流环的整定


电流环是伺服驱动器控制回路的内环,其整定性能直接关乎驱动器的性能。目前,大部分商业伺服驱动器的内环是不能手动整定的,但有的厂家的伺服驱动器,比如ABB的Microflex e190和Motiflex e180伺服驱动器,是可以直接整定电流环的。本文以ABB交流伺服驱动器为依托,简单介绍一下伺服电流环的整定。

电流环整定说明

常用阶跃信号对电流环进行整定。一般情况下,阶跃响应是系统可能遇到的最糟糕的情况。位置环产生给速度环的指令,以及速度环产生给电流环的指令都比阶跃信号平滑得多。因此,如果系统能对阶跃信号有一个满意的响应,它在更平滑的运行条件下,响应会更好。

电流环一般使用PI整定策略,KIPROP为电流环的比例增益,为电流环引入阻尼项,KIINT为电流环的积分增益,可提升电流跟随的灵敏度。

说明:   KI表示电流环的增益。
PROP:Proportional, 比例
INT:  integral,积分

通过带宽调整电流环增益

可以通过设置电流环的带宽,直接确定电流环的增益,带宽越大,比例和积分增益也越大。带宽设置过大,电流响应容易有过冲,且带宽如果过大,电机噪音也较大。图1为不同带宽时的整定结果:

图1:不同带宽时的整定曲线
不同带宽时的整定曲线

其中红色为给定电流阶跃信号,蓝色为实际电流信号。左图带宽为1500,右图带宽为3000。通过观察两图红圈标示区域可见,带宽3000时的电流响应性更好一些。

定性观察比例增益(KIPROP)的作用

如前所述,KIPROP为电流环引入阻尼项。具体而言,当比例增益较小时,跟随电流容易出现过冲,提升比例增益有助于抑制过冲。但比例增益不能调得太大,不然可能引起电流振荡。

如图2,固定KIINT为350。当比例增益为0.15时,电流有过冲的倾向。随着增益的增大,阻尼逐渐增大,过冲被抑制。

图2:比例增益的作用
定性观察积分增益(KIINT)的作用

积分增益可以提升电流跟随的灵敏性。图3为当KIPROP固定为0.3时,不同积分增益的情况下的电流跟随曲线:

图3:积分增益的作用

图3:积分增益的作用

由上图可见,随着积分增益的增加,电流跟随的灵敏度(实际电流与给定电流之间的实时偏差)越来越小。积分增益调得太大,容易引起过冲,此时又需要提升比例增益以抑制过冲。

通过KITRACK进一步提升电流跟随精度

当比例增益和积分增益调整,结果比较满意时,可以通过KITRACK参数,进一步提升跟随的灵敏度,降低实际电流相对于给定电流的“延迟”。伺服电机自整定时不会整定KITRACK,如需要,需手动设置。KITRACK是一个百分比数,取值范围为0~100.

如图4,左图为整定完比例和积分后的效果。右图为KITRACK提升到80以后的效果,还是能看出一定程度的改进的。
图4:KITRACK的作用

图4:KITRACK的作用

KITRACK如设置太大,也可能引起电流过冲。

电流环的手动整定

一般情况下,伺服驱动器会给出电流环自动整定的结果,为加深对电流环整定的理解,我们看一下电流环手动整定的过程,并观察整定结果。

一般而言,积分增益至少是比例增益的20倍或更高。我们从KIPROP=0.05, KIINT=1开始整定。

图5:增大KIINT以提升响应
图5:增大KIINT以提升响应

从图5左图可看出,电流基本无响应。把KIINT从1增加至10,从10增加至100,可得到中间和右侧两个电流跟随曲线。

逐步增大KIINT以提升响应灵敏度。当KIINT较大时,电流出现过冲,此时再增加KIPROP以抑制过冲。

 

图6:增大KIPROP以抑制过冲
图6:增大KIPROP以抑制过冲

如图6所示,保持KIPROP为0.05,当KIINT增加至150时,电流出现过冲。

把KIPROP从0.05增加至0.1,增加电流阻尼项,可看到电流过冲被抑制。

可交替增加KIINT和KIPROP,直至得到较满意的整定曲线。

当比例和积分增益整定完成后,再适当投入KITRACK参数,以进一步降低实际电流曲线相对于阶跃信号的滞后!

总结

伺服电机的电流环整定,主要使用PI整定策略。比例增益引入阻尼项,积分增益提升跟随灵敏度。可提升积分以提升响应灵敏度,当电流出现过冲时增加比例增益以抑制过冲。交替增加积分和比例,以获取满意的结果。

最后,可尝试加入KITRACK,以进一步降低电流跟随的“滞后”,改善整定效果。

 

 

 



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