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*** *** 上一节讲了在三类电动机中进行力矩控制的一些原理，这里还有几个问题需要补充一下。 力矩控制如果采用闭环方式，那么反馈信号怎么来？力矩传感器是有的，但价格比较贵，安装也麻烦，除非必要，一般是没有用的，都是用替代方式获得反馈信号。 直流电动机在主磁场恒定前提下，电枢电流正比于力矩，直接做成电流环代替力矩环，反馈信号是电流。交流同步电动机在定子旋转磁场恒定前提下，用力矩角通过换算来作为反馈信号。交流异步电动机在矢量变频方式下，保证定子磁场幅值恒定，用转差频率作为反馈信号，要么用内部数学模型去计算力矩，作为力矩反馈信号。 控制同步电动机的自控变频器和控制异步电动机的他控变频器，都比较复杂，一般都使用通用变频器或者配套的专用变频驱动设备，直流无刷电动机的控制软件原理相对简单一点，但没有特别需要时也采用配套的驱动设备，在这些设备中，力矩控制的模式是固化的，只是可能把力矩环的PID参数开放给你，允许你设置调整，而我个人的建议是，在没有把握的情况下，最好别去调整，直接使用设备的默认参数，这样的效果可能更好。 要补充的第三点是，力矩控制一般作为其他类型控制的执行手段在使用，按照闭环控制的特点，手段参数在准确性上略有偏差，对最终控制效果的影响很有限，所以我们对力矩控制的要求，第一是稳定，第二是快速，第三才是准确，商品化驱动设备提供的力矩控制，稳定性没问题，准确性也可接受，主要差别在快速性方面，如果应用情况对速度响应要求不高，比如过渡过程时间在一秒上下甚至更慢，那么你可以不考虑力矩响应速度的问题，如果速度控制的响应速度有要求，比如在半秒以下，你就需要看看你所选择的力矩控制方式能不能达到要求了，提供一个参考估计标准：力矩响应速度最好能够比速度控制的响应速度快二十倍左右，比如速度过渡过程要求0.3秒完成，那么力矩响应速度就应该小于15毫秒。 现在开始讨论速度控制问题，在工程中，速度控制的应用范围非常广，就不一一列举了，需要说明的是，在需要两台及以上电动机配合驱动的情况下，许多表面上看起来是速度控制的应用，实际上却不能按速度控制来做，至少不能把所有的电动机控制都做成独立的速度控制，这一点我后面会专门讲一讲，这里只是简单提一下。 单纯的速度控制模式，在具备力矩控制手段的前提下，通常都比较简单，采用PID调节器做闭环控制基本都搞得定，而且基本上只使用比例和积分两个策略就足够，也就是PI调节模式。 虽然控制起来比较简单，但比例控制系数和积分控制强度的设置还是比较讲究，尤其是积分参数设置。 调试前需要做预设置，以免第一次启动出现问题，这时比例系数设置低一点，比如5，积分策略和微分策略都可以先关闭，商品控制设备很多都采用积分时间常数和微分时间常数来代替控制强度，这时可以看说明书就知道怎么关闭这两个功能。 给定一个中等大小的目标值，启动后系统的表现应是稳定的，过渡过程应该偏长，逐步提升比例系数，直到增加到15以上或者出现轻微振荡为止，这时可以退回到10左右，或者没有出现振荡的参数上。 然后慢慢增加积分强度，如果是采用积分时间常数设置，对于速度控制一开始可以设置为十秒左右，如果没有出现低频振荡，就逐步减少积分时间，这意味着增加积分控制强度，反之就要增加积分时间。 低频衰减振荡的出现，意味着实际值接近目标值时，积分策略积累的输出已经超过需要，甚至可能超过最大值导致全额输出，这种情况称为积分饱和，在积分饱和后，实际值必须超过目标值，才能让积分输出慢慢降低，因此会出现过冲，而积分输出降低后在速度下降过程中，积分输出会进一步降低，导致速度达到目标值后又出现一个小一些的反方向过冲，而这种来回过冲会变化比较慢，这就是造成低频衰减振荡的原因，只要出现这种振荡，就说明积分强度大了，或者说积分时间常数小了，出现积分饱和了。 积分控制强度越大，系统反应速度越快，动态性能越好，但积分强度大了就容易积分饱和，轻微的积分饱和也许问题不大，深度饱和是肯定不能接受的，这就是一个矛盾，简单的解决办法就是寻找平衡，找到在不出现严重积分饱和时的最大积分强度。 具体方法就是不断增加积分强度或者说减少积分时间，直到开始有低频振荡为止，然后往回退一些，就算设置好了。 这样的设置方法，是在稳定性和快速性两个方面妥协的结果，积分控制强度是偏低的，不可能有特别好的动态性能，但对于一般的恒值速度控制，是已经够用了。 恒值速度控制的积分强度偏低，对过渡过程时间影响并不严重，毕竟一开始偏差够大，足够让积分策略积累出需要的输出，这就是这种妥协平衡的设置方式在恒值控制中可以被接受的原因。 但恒值系统在动态性能上的要求也不仅仅表现在过渡过程上，进入稳态后的抗干扰性能也是一个重要指标。 速度控制的干扰来自负载力矩的变化，负载力矩一变，就打破了力矩平衡，使得系统合力矩不再为零，会减速或者加速，让速度偏离目标值，这就是干扰的表现。 因为是闭环控制，这种偏离会被纠正回来，其中比例策略的作用主要是压制偏离的大小，因为偏离导致的比例输出会压制力矩的变化，而要让速度最终回到目标值，还是需要积分策略的输出改变后，来抵消力矩的变化。这个情况表现出来就是负载力矩突变后，先出现一定的速度偏差，然后慢慢的恢复正常，这个过程称为动态速降，是在负载力矩突然增加时产生的，实际上还存在动态速度增加的情况，但都用动态速降这个术语来表示。 因为产生的偏差不会很大，积分强度设置又偏低，在力矩突变幅度很大的时候，动态速降的恢复时间就会很长。 动态速降的偏差大小，和延续时间，就构成了恒值系统的抗干扰能力指标。 如果运行中有出现大幅度力矩突变的可能性，又对系统的抗干扰性能有比较高的要求，同时还不能接受深度积分饱和导致的大幅度低频振荡，那么单纯的PI控制策略就搞不定了，因为积分控制强度怎么设定都不合适，没办法迁就得过来了。 另外就是速度随动控制，目标值一直在变化，如果想要实际值紧紧跟随目标值，那就需要在始终保持微小偏差的前提下能够快速地改变力矩大小，以满足不断加速和减速的需要，就更需要有很高的积分控制强度了，但一开始的深度积分饱和仍然是无法接受的。 所以，前面讲的在调试中设置积分强度参数的原则，对于有较高抗干扰要求的恒值速度控制以及速度随动控制，都是不合适的，不管怎么设置都很难满足要求，需要从根本上想办法。 这个问题产生的原因是，在启动的时候因为实际值很小，偏差值非常大，这时太强的积分控制强度会导致积分饱和，而在恒值控制的动态速降中，以及随动控制中，偏差又很小，要想尽快纠正偏差，就需要更强的积分策略强度，两种情况下偏差值差异很大，用同一个参数满足两种不同的情况就办不到了。 知道了根源，解决思路也就有了：要么不让产生太大的偏差，要么针对不同的偏差范围采取不同的控制策略，这两种思路很简单明确，都不是什么高深的理论，是属于工程师的一种有效的小智慧。 第一种思路的实现方式，就是在恒值系统启动之初，不直接把真实的目标值送进系统，而是构建一个斜坡函数，从零开始随时间递增，直到达到目标值后换成实际目标值，这样对送入系统的目标值做一个预处理，就称为目标预处理思路。 对于速度随动控制，因为目标值不断在变化，这个预处理后的目标值斜坡函数的末端是不固定的，为了避免预处理目标值高于实际目标值时导致不能顺利切换，不能用两者相等的条件来做切换，而是应该用预处理目标大于或等于实际目标这个条件来切换。 这样一来，启动之初的偏差就会很小，可以给出更高的比例系数和更短的积分时间常数，让整个系统的控制总强度增加，却不会产生积分饱和问题。而因为控制强度增加，系统反应速度也就增加了，即使偏差很小，也能够快速启动并且提速，让实际速度紧跟递增的目标值，始终不会有很大的偏差。 第二个思路，可以设置一个偏差值门槛，偏差值大于门槛，就不让积分策略进行累加，保持当前的积分策略输出不变，当偏差值小于门槛时，才根据偏差的大小和方向来做累加，这个思路在大偏差情况下关闭积分策略的累加积累，对积分策略按偏差大小区别对待，因此被称为积分分离技术。 由于积分作用始终在偏差小于门槛值的情况下起作用，因此同样不会造成积分饱和的现象，也许设置更小的积分时间常数。 采用积分分离技术，需要注意一个问题，那就是只是在大偏差情况下停止积分策略的累加功能，并不是关闭积分策略本身，积分策略的输出值是维持之前的数值不变，并且一直和比例策略的输出加在一起作为总的控制输出。 在程序中的体现，就是在积分分离期间，直接把积分策略的累加步骤跳过去，其余部分程序照常执行就可以了。 采用积分分离技术，设置的门槛值大小和比例系数之间需要一个配合，如果门槛设置太小，比例系数又不高，在启动的时候积分输出初始值为零的情况下，有可能把偏差拉不到门槛以内，这样就相当于积分策略被直接关闭了。 不管采用了目标预处理技术，还是积分分离技术，积分控制强度都会设置得比较高，对于恒值控制，调试时在有了目标预处理或者积分分离的情况下，仍然采用逐步增大积分强度，或者减小积分时间的方法来进行，直到出现积分饱和导致的低频振荡为止，然后让参数适当回退一些，就完成设置了。 对于速度随动控制，在调试中可以先给一个恒值目标，当做恒值控制来按上面的原则调试，调试完成后直接送入实际目标运行就可以了。 通过增加积分控制强度，能够让系统更快的改变力矩，以更快的加速度去修正速度偏差，但会受到系统最大加速度的限制，如果随动系统中目标值的变化出现了超出系统最大加速度的情况，就跟不上了，这是受到了系统硬件方面的限制。 同样的，在速度恒值控制中，如果我们希望的过渡过程时间，所对应的加速度超出了系统最大加速度，也同样没办法实现。 所以在讨论速度控制的最后，我还要再花点时间说一说系统最大加速度的问题。 按电力拖动基本方程Te-TL=GD2（dn/dt）来分析，对于旋转电动机而言，最大的转速加速度即dn/dt正比于最大的系统合力矩Te-TL，反比于系统的转动惯量GD2。 要想增加最大加速度，或者降低转动惯量，或者增加合力矩。 增加合力矩的方法，可以选择更大功率的电动机，让电磁力矩Te的最大值增加。 但电动机本身也是有转动惯量的，是系统转动惯量的一部分，在电动机功率增加的同时，转动惯量也会增加，因为电动机个头变大了，所以把电动机功率提升一倍，最大加速度并不会提高一倍，提升比例要小一些，而且随着电动机功率增加，系统转动惯量就会主要由电动机的转动惯量决定，这时再增加电动机功率，基本上就没有用了。 普通电动机在不带负载的情况下，从零速加到全速的时间，基本上在一两秒的水平，在就是极限加速度了，不管怎么增加电动机功率，实际加速度都突不破极限加速度。 如果我们需要更快的加速时间，比如从零速到全速能够0.3秒就加速完成，采用普通电动机就搞不定了，需要选择专用电动机，这类电动机在相同力矩下的转动惯量更小，或者说相同转动惯量下的力矩更大，这类电动机是为伺服控制这种对最大加速度要求很高的应用准备的，因此称为伺服电动机。 不管是不是伺服控制，只要应用中对系统的最大加速度有较高的要求，都需要选用伺服电动机，但速度控制并不属于伺服控制，可以不用选择为伺服控制配套的控制器和驱动器，直接用常规的对应驱动设备就可以了，如果是直流伺服电动机，用直流驱动器来驱动就可以，交流异步伺服电动机则可以用普通的通用变频器驱动。 至于什么是伺服控制，这个话题放在后面去讲。 最后说一说速度控制的反馈信号，能够反馈速度信号的传感器有测速发动机和旋转编码器等类型，目前测速发动机已经基本淘汰，编码器是速度反馈信号的标准配置。 编码器有增量编码器和绝对编码器两种类型，增量编码器是脉冲方式工作的，也就是电动机每旋转一周发送固定数量的脉冲，脉冲个数和电动机转过的角度对应，脉冲频率就对应于转速，是一种既能够体现速度也能够体现位置的检测元件，同时也可以从中提取加速度信号。 绝对编码器是按二进制数码原理工作的，控制设备能够直接从编码器读取电动机当前的角位置，至于转过了多少圈，仍然用脉冲方式进行计数累计。绝对编码器主要用于位置控制，它不会因为丢失脉冲而需要进行位置校正，而速度控制使用增量编码器就足够了。 增量编码器至少要两个脉冲才能获取速度信号，方法就是检测两个脉冲之间的时间间隔，所以它是存在检测滞后的，要等到第二个脉冲到达才知道之前一小段时间里的速度，在电动机以极低速度运行时，滞后时间就会比较明显，解决的办法就是增加每一转的脉冲数量，也就是增加脉冲密度，脉冲密度越高，滞后时间越短，所以在系统有可能在极低速度下运行时，要选择每转脉冲数更多的编码器。 速度控制涉及到的问题，基本上就这些了。 |
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