伺服控制器通常使用傳統(tǒng)的位置環(huán)內(nèi)嵌速度環(huán)的串級控制方式。這種控制方式產(chǎn)生的年代，電流和速度控制是用硬件實(shí)現(xiàn)，而位置控制則用軟件實(shí)現(xiàn)。它流行至今的原因之一是它的簡易性。首先調(diào)整速度環(huán)，接著調(diào)整位置環(huán)，而電流控制參數(shù)一般自動設(shè)定。位置控制器通常由一個簡單的比例系數(shù)組成，速度控制器則包含一個比例系數(shù)和一個積分環(huán)節(jié)。如圖1所示。

這種控制方式的一個缺點(diǎn)是存在和速度成比例跟隨誤差。使用前饋控制方法可以減小跟隨誤差，但代價是出現(xiàn)超調(diào)或者整定時間延長。

為了克服上述限制并優(yōu)化在高精度運(yùn)動控制應(yīng)用中的伺服性能。這種名叫HD控制(HDC)的獨(dú)特算法使用并聯(lián)控制方式，所有支路處于同一級別并在一個采樣周期內(nèi)同時執(zhí)行。每一條支路包含一個可變的增益參數(shù)并自動優(yōu)化以滿足高增益和高穩(wěn)定性。因此，位置誤差和整定時間被最小化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他控制器的級別。

HD控制的優(yōu)勢

最小化位置誤差

接近零的整定時間

減速階段結(jié)束時無超調(diào)

穩(wěn)態(tài)時無振蕩

穩(wěn)態(tài)時最小化振動

抗干擾能力強(qiáng)

路徑跟隨準(zhǔn)確度高

該算法主要由兩個模塊組成，一個是可變增益模塊，用于減小跟隨誤差;另一個是自適應(yīng)前饋模塊，用于減小整定時間。如圖2所示。

可變增益(VG)控制

在HDC算法運(yùn)算過程中，可變增益(VGd、VGp、VGiv和VGi)自動計算并動態(tài)修改。在系統(tǒng)變量層面，每一個增益具有它特定的功能，如速度誤差和位置誤差。在運(yùn)動過程中，可變增益可能比在運(yùn)動停止時高出十倍。這樣可以保證在運(yùn)動過程中及以較低速度運(yùn)行時路徑跟隨的高精度。另外，在運(yùn)動過程中，系統(tǒng)剛性被提高了3倍以上，從而保證非常小的跟隨誤差。

四個可變增益通過一套獨(dú)特的算法取得平衡，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Kd參數(shù)所在的支路與速度反饋環(huán)類似，用于減小速度誤差。Kp參數(shù)所在的支路是一個比例型位置反饋環(huán)，用于減小位置誤差。Ki參數(shù)所在的支路是位置反饋環(huán)的積分環(huán)節(jié)，用于減小穩(wěn)態(tài)誤差。

Kiv參數(shù)所在的支路是HD控制特有的，它綜合了Kp支路和ki支路的作用。它產(chǎn)生的剛性比Kp高出兩倍以上，而且不會產(chǎn)生振蕩。它用于減小加速和穩(wěn)態(tài)兩種階段的跟隨誤差。它也能像積分參數(shù)(Ki)那樣用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，但具有與比例參數(shù)(Kp)一樣快的響應(yīng)速度。如圖3所示。

自適應(yīng)前饋

適應(yīng)前饋模塊用于獲得很短的整定時間。由于Kiv和Ki支路的優(yōu)越表現(xiàn)，大部分反饋響應(yīng)(電流指令)存在于積分環(huán)節(jié)之中。在運(yùn)動過程中，自適應(yīng)前饋模塊會監(jiān)視加速度和電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的一致性，并將這一關(guān)系用于在減速階段時處理積分環(huán)節(jié)。

在運(yùn)動結(jié)束時，自適應(yīng)前饋算法根據(jù)期望的路徑加速度來修改積分環(huán)節(jié)內(nèi)的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)零整定時間。如圖4所示。

自動調(diào)整

HDC算法已應(yīng)用在由Servotronix研發(fā)制造的CDHD伺服驅(qū)動器系列之中。如圖5所示。

參數(shù)整定通過CDHD用戶界面軟件ServoStudioTM自動執(zhí)行。不過，自動調(diào)整往往是不夠的，某些應(yīng)用還需要手動精調(diào)以優(yōu)化參數(shù)。

自動調(diào)整和手動調(diào)整都是基于相同的原理。在自動調(diào)整過程中，運(yùn)動質(zhì)量的優(yōu)劣是由驅(qū)動器和軟件來測量和評估。在手動調(diào)整時，則是由使用者來評估。不論哪種方法，伺服控制參數(shù)都是被漸進(jìn)地修改并選取達(dá)到最佳性能的那個值。

HDC參數(shù)整定簡單直觀，而且執(zhí)行起來很像傳統(tǒng)PID參數(shù)的整定。每一個可變增益都是被逐漸增加直到發(fā)生振蕩，然后降低10-20%，回到安全范圍。

HD控制的應(yīng)用

Servotronix一個客戶的龍門機(jī)器人應(yīng)用要求在以最高速度運(yùn)行時持續(xù)準(zhǔn)確度達(dá)到2-3微米。使用帶HDC算法的CDHD伺服驅(qū)動器在保證準(zhǔn)確度的前提下，將該應(yīng)用的最高運(yùn)行速度從120mm/s提高到了160mm/s，從而使生產(chǎn)效率提高了33%。

在與其他廠家伺服驅(qū)動器進(jìn)行的一次對比測試中，當(dāng)設(shè)備以160mm/s的速度運(yùn)行時，CDHD驅(qū)動器明顯地實(shí)現(xiàn)了更高的準(zhǔn)確度和更低的紋波。如圖6所示。

總而言之，在諸如CNC與切割、傳送跟隨、取放操作、PCB組裝、焊接、噴漆、噴涂和涂膠等等需要高路徑跟隨準(zhǔn)確度和低整定時間的應(yīng)用中，HD控制已被證明具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。