双闭环控制：不再有齿轮箱空回

在部件具有机械空回和弹性变形的情况下，是否仍然可以动态、高精度、无振荡地定位负载？通过智能的系统方法，当然可以实现。

负载的电驱动装置运动通常通过一个系统进行控制，而这个系统又通过电机轴上的编码器测定位置和速度信息。高编码器分辨率以及能够精确检测电机轴反应是实现动态位置控制的先决条件。但从应用的角度来看，输出侧负载运动的精度才是最终影响生产出的商品的质量和尺寸精度的重要因素。在此方面，齿轮箱、主轴和传动皮带会带来负面影响。取决于运动方向，齿轮箱空回会导致输出侧的负载位置有所不同，并且弹性变形也会在运动开始或停止时引发延迟和振动。第一个假设的解决方案：将编码器安装在输出轴上，而不是安装在电机轴上。然后，这一改动不但没有达到预期的效果，反而使系统性能变得更糟。

当机械结构产生空回或弹性变形时，要实现动态、精确的负载定位，就必须选择基于两个编码器系统进行控制的系统方法：

• 一个旋转编码器称为“辅助编码器”，它与电机轴刚性连接。电机组合中应该已包含这样一个编码器。
• 另一个编码器称为“主编码器”，它在输出侧与运动负载相连接。
  
  
  

  图1 双闭环架构由三个集成的反馈回路构成。

处理这两个编码器系统的信号时需要用到所谓的双闭环控制。双闭环控制可以为maxon EPOS4定位控制器扩展配备一个二阶滤波器和一个“增益调度器”，以抵消机械共振和齿轮箱空回所带来的影响。调试软件“EPOS Studio”提供一个名为“微调设置”的工具，可以自动测定复杂控制器结构的参数，并且也可以记录驱动装置传递函数。

控制结构

EPOS4使用级联控制结构来实现双闭环控制（见图1）：

• 最内部的控制回路提供以电机电流测量值作为反馈信号的电机电流磁场定向控制（= FOC）。
• 中间一个控制回路（“辅助控制”）根据电机轴上的编码器来调节电机转速。
• 外部控制回路（“主控制”）根据负载侧的编码器系统来调节负载位置。

EPOS4双闭环控制结构的详图请见图2。

主控制回路

主控制回路由一个比例 (P) 控制器、一个“增益调度器”和一个二阶滤波器（=“主回路滤波器”）构成。通过轨迹规划器，规定使用负载的设定位置及其设定速度和设定加速度作为主控制回路的输入变量。同时，负载处的编码器测量负载的当前实际位置，并将其用作另一个输入变量。

• 增益调度器

EPOS4双闭环控制中使用“增益调度器”，以消除齿轮箱空回带来的负面影响。为此，“增益调度器”会主动调节主控制回路的P增益。如果出现跟随误差，即负载侧设定位置与实际位置之间的偏差较大，则需要使用较高的P增益，以快速减小误差。跟随误差减小，P增益也会随之降低，因此即使有齿轮箱空回，驱动装置中也不会发生振荡。

• 主回路滤波器

如果因联轴器、皮带或长主轴的原因导致电机与负载之间存在一定的弹性变形，那么当产生共振频率时，可能会出现较大的振动，甚至可能导致控制不稳定。为避免这种情况发生，EPOS4双闭环控制器使用所谓的二阶陷波滤波器类型。这种滤波器可以抑制主控制回路输出信号中的谐振频率范围，并由此防止传动系统中出现谐波振动。
 

辅助控制回路

辅助控制回路包括一个具备前馈 (FF) 功能的比例积分 (PI) 控制器和一个观测器，用于根据电机侧编码器提供的位置数据及电机电流测量值来估算电机转速。

自动微调程序

为简化调试，maxon的“EPOS Studio”软件提供一个集成的“自动微调”向导程序，用于测定和检查双闭环控制器的参数。自动微调程序包括两项全自动执行的“实验”。

• “实验1”会使电机轴振动，用于确定转动惯量、转矩常数以及电机中的摩擦。根据在实验中测定的数据，就可以计算出辅助回路控制器和观测器的参数。
• “实验2”用于计算包括陷波滤波器在内的主控制回路的参数。为此会发送一个PRBS信号（=“伪随机二进制序列”），以刺激受控系统。根据由此得到的输入/输出数据，就可以确定传递函数并将其以伯德图的形式显示出来（请见图3）。

伯德图可以导出到文件中。它可用于帮助控制工程师进行系统分析，从而优化机械系统设计或根据特定的应用要求手动调整控制系统。

单闭环控制和双闭环控制对比

下面的示意图中展示不同系统之间在激励参考响应和跟随误差方面的差异：一个有齿轮箱空回的系统（图4）和一个配备弹性联轴器的系统（图5）。示意图中将系统使用单闭环控制（负载侧编码器）的情况与使用自动微调式双闭环控制（电机轴和负载侧各有一个编码器）的情况进行对比。

双闭环控制是能让驱动系统更加精确和高效的一种方法。maxon公司不仅能提供双闭环控制所需的全部元件，而且还能为您提供丰富的咨询经验——从构思、概念设计构思到批量生产，都能助您一臂之力。