使用一個(gè)電機(jī)A，不帶負(fù)載時(shí)，如果設(shè)置比例增益參數(shù)為0.3。通過帶有一定的彈性機(jī)構(gòu)連接負(fù)載到該電機(jī)上，負(fù)載和電機(jī)的總慣量比空電機(jī)大，那么比例參數(shù)0.3會(huì)會(huì)顯得太大了，還是太小了呢？

由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)可以通過所謂的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化描述。

這兩個(gè)載荷之間的連接，即耦合，由剛度（c）和阻尼（d）來進(jìn)行描述。

圖 1?1 雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)

在頻域中，系統(tǒng)具有以下頻率響應(yīng)：

圖 2-2速度控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)

兩個(gè)不同的頻率，可以觀測(cè)到耦合到電機(jī)的負(fù)載。

• 零點(diǎn)
  

• 極點(diǎn)

過了零點(diǎn)頻率，相關(guān)負(fù)載與電機(jī)/系統(tǒng)解耦。這意味著，控制系統(tǒng)不可能在高于零點(diǎn)頻率驅(qū)動(dòng)負(fù)載，從電機(jī)到負(fù)載的能量傳輸斷開。較低的線與較高的線相比，較低的級(jí)意味著的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大。

對(duì)于理想的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的總慣量可以通過鎖定轉(zhuǎn)子頻率(零點(diǎn))的左側(cè)讀取到。在共振頻率右側(cè)，由于負(fù)載慣量已經(jīng)解耦 – 對(duì)于控制系統(tǒng)來說只有電機(jī)慣量可見。

零點(diǎn)表明在這個(gè)頻率上存在比當(dāng)前負(fù)載高的多的慣量。負(fù)載的運(yùn)動(dòng)非常消耗能量 - 它消除了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

相反，極點(diǎn)表明似乎系統(tǒng)中存在非常小的慣量。在這種情況下，電機(jī)不必為了移動(dòng)負(fù)載使用那么多的能量 – 負(fù)載“推動(dòng)”電機(jī)。

通常會(huì)認(rèn)為速度環(huán)的比例系統(tǒng)是正比于慣量大小的，但是由于彈性和雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的存在，系統(tǒng)會(huì)在特定頻率變得不穩(wěn)定。

由于耦合的彈性，出現(xiàn)諧振頻率時(shí)，電機(jī)面對(duì)的慣量比電機(jī)本身慣量小得多。此時(shí)負(fù)載“推動(dòng)”電機(jī)，因此則對(duì)應(yīng)的Kp太大了。

帶上負(fù)載后機(jī)械方面可以增加電機(jī)與負(fù)載的連接剛性，控制方面可以通過電流環(huán)設(shè)定值濾波器來消除極點(diǎn)，或者設(shè)置合適的Kp來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

將一個(gè)負(fù)載懸掛在電機(jī)軸的側(cè)面，如果不進(jìn)行閉環(huán)控制則受重力影響負(fù)載直接掉落。此時(shí)激活速度閉環(huán)，如果僅有比例控制生效，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？如果只有積分生效，則又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？

速度控制器是PI控制器。比例對(duì)應(yīng)于與設(shè)定值有關(guān)的電機(jī)阻尼，積分器的積分時(shí)間就像一個(gè)彈簧。

速度控制器可以通過兩種策略進(jìn)行優(yōu)化：

• 干擾最佳

高控制器增益。電機(jī)跟隨設(shè)定值效果非常好。電機(jī)側(cè)擾動(dòng)可以得到最佳補(bǔ)償，缺點(diǎn)是負(fù)載的連接剛度不足時(shí)容易震蕩。

如果連接剛度不足，電機(jī)側(cè)的編碼器“看不到”負(fù)載側(cè)發(fā)生的情況。

• 阻尼最佳

控制器故意設(shè)置為弱，以便控制器作為“彈簧”而不是電機(jī)：負(fù)載耦合振蕩。

但是，電機(jī)側(cè)的干擾（例如齒輪）可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，會(huì)對(duì)負(fù)載側(cè)產(chǎn)生影響，因?yàn)榭刂破鳑]有完全抑制他們。

優(yōu)化一般分兩步完成：

?比例增益優(yōu)化（Kp）

?積分時(shí)間優(yōu)化（Tn）

優(yōu)化速度控制器增益，PI控制器的積分環(huán)節(jié)必須停用。

通過設(shè)置Tn = 0或設(shè)置很長的積分時(shí)間來完成，例如1000ms。在速度控制器增益Kp已經(jīng)優(yōu)化后，再進(jìn)行積分時(shí)間的優(yōu)化。

典型的目標(biāo)是將比例增益系數(shù)設(shè)置得足夠高，以獲得機(jī)器動(dòng)態(tài)要求，但同時(shí)保持控制環(huán)的穩(wěn)定性。

如果只有控制器的P部分有效，負(fù)載仍會(huì)下降向下，但如同在粘性液體中，下降會(huì)產(chǎn)生阻尼效果，更大Kp增加更多的阻尼效果。

只有積分部分，負(fù)載僅在停止前下降到某個(gè)角度。可以想象彈簧會(huì)受到壓縮，從而負(fù)載減速下降（當(dāng)彈簧力=重量的扭矩時(shí)達(dá)到靜止）。積分時(shí)間越短，負(fù)載越快停止。如果移除負(fù)載，電機(jī)會(huì)“彈回”到初始位置。

外部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比多少合適？

慣量比是用于評(píng)估系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。

1.電機(jī)慣量越小，對(duì)于相同的負(fù)載從頻域角度看，導(dǎo)致震蕩的幅值增加：

2.電機(jī)的慣量越小，對(duì)于相同的負(fù)載從時(shí)域上看，超調(diào)的現(xiàn)象越嚴(yán)重：

3.電機(jī)不論慣量大小，在完成動(dòng)態(tài)調(diào)整過程結(jié)束后，設(shè)定值和實(shí)際值趨于一致：

難以概括慣量比的通用的有效慣量比數(shù)值，因?yàn)楦鶕?jù)電機(jī)連接剛度（轉(zhuǎn)子和機(jī)器軸）和所需的負(fù)載周期（加速/減速）而不同，慣量比必須針對(duì)每個(gè)特定應(yīng)用而評(píng)估。

?在 機(jī)床加工設(shè)備中 適合的比值大約3 。 

?在 生產(chǎn)機(jī)器 領(lǐng)域的限制往往可以增加。

?特別是在純速度控制軸中，比例可以進(jìn)一步提高。根據(jù)所需的負(fù)載周期，慣量比可以是 50：1，或者對(duì)于更低動(dòng)態(tài)需求的應(yīng)用中，甚至是 2000：1。