三闭环伺服控制系统构成与功能分析

高性能交流伺服控制系统通常具有位置反馈、转速反馈和电流反馈的三闭环结构形式，如图7-1所示。图中，虚线框内表示电源、电动机及编码器模型，其中APR表示位置调节器，ASR表示转速调节器，ACR表示电流调节器。

图7-1 三闭环伺服控制系统原理框图

三个环路调节器都由P和I组成，虽然结构相似，但是完成的功能却各自不同：

①电流环ACR的作用是改造内核控制对象的传递函数，提高系统的快速性；及时抑制电流环内部的干扰；限制最大电流，使系统有足够大的加速度转矩，并且保障系统安全运行。

②速度环ASR的作用是增强系统抗负载扰动的能力；抑制转速波动。

③位置环APR的作用是保证系统静态准确度、刚度和动态跟踪的性能；它是反馈的主要通道。

通常把电流环称为内环，三个环的设计步骤由内到外，即依次是电流环，速度环和位置环。针对各个闭环的具体作用和要求，采取相应的控制策略。首要考虑系统的稳定性，此外，系统的跟随性、扰动性、误差以及稳态裕度等性能也是考虑的基本内容。(www.xing528.com)

图7-1中的机械系统是指系统负载和负载与电动机连接的机械传动机构的总称。通常假设电动机与机械系统的连接特性为理想化的刚性，如图7-2a所示。在物理模型中，系统转动惯量J即是电动机转动惯量J_M与负载转动惯量J_L之和，由它建立的系统一般称为单惯性系统。

实际上，机械传动连接特性并非理想化的刚性，它存在一定的柔性，如图7-2b所示，由它建立的系统称为两惯性系统。在该物理模型中，连接特性具有柔性耦合特性，存在弹性常数K_S，它使得系统转动惯量J不再是电动机转动惯量J_M与负载转动惯量J_L之和。更复杂的是，这种柔性耦合通常会在系统中引发机械振动，机械振动除了发出声学噪声形成噪声污染外，还会对机械传动装置造成严重的损害，影响其使用寿命。另外，甚至还会引发控制系统中的控制量振荡，使得闭环控制的稳定性以及可调整性受到制约。

图7-2 机械系统的物理模型

a）单惯性系统 b）两惯性系统

因此，本章在最后一节对这种振动的成因进行详细的分析，建立了振动负载模型，并给出了一些常见的抑振方法。由经验可以得出，虽然三闭环控制策略是在单惯性系统物理模型下分析得出的，但它同样适用于振动负载模型，其结论对实际应用中的伺服控制系统同样是有效的。因此主动式解决振动的方法多数也是在三闭环控制系统的基础上展开研究的。