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控制模式

概述

没有反馈的系统控制模式称为开环,有反馈的系统控制模式称为闭环。在闭环控制模式中,无论反馈信号来自电机本身还是来自受影响进程,最初都是无关紧要的。

对于有反馈的控制器,会不断地将测量的控制变量(实际值)与设置点(设置值)进行比较。如果这些值之间存在偏差,控制器将根据规定的控制参数重新调节。

另一方面,纯控制器则对要调节的值没有反馈。而仅指定设置点(设置值)。

除物理反馈系统(如通过编码器或霍尔传感器)以外,还使用基于模型的反馈系统,统称为无传感器系统。这两种反馈系统也可组合使用,从而进一步提高控制质量。

以下总结了电机技术相关的控制模式与反馈系统的所有可能的组合。对各个控制模式和反馈的支持情况因控制器而异,相关信息请参见引脚分配工作模式章节。

控制模式 步进电机 直流无刷电机
开环
闭环
反馈 步进电机 直流无刷电机
霍尔
编码器
无传感器

可根据控制模式选用不同的工作模式。以下列表包含各种控制模式中所有可能的操作类型。

工作模式 控制模式
开环 闭环
标准定位
速度
标准速度
标准转矩 1)
找零 2)
插补位置模式 3)
循环同步位置 3)
循环同步速度 3)
循环同步转矩 1)
脉冲方向

1) 由于没有反馈,因此无法在开环控制模式下使用 标准转矩循环同步转矩 转矩工作模式。

2) 例外情况:由于没有反馈,无法执行堵转找零。

3) 由于工作模式 循环同步位置循环同步速度 中的斜坡和速度是由主站的指定点得出的,通常无法预先选择这些参数,并确定是否可以排除失步。因此,不建议将这些工作模式与开环控制模式结合使用。

开环

简介

开环模式仅用于步进电机,根据定义,它是一种没有反馈的控制模式。定子中的磁场旋转由控制器指定。只要不超出极限参数,如最大转矩,则转子将直接跟随磁场旋转,而没有失步。与闭环相比,控制器中不需要复杂的内部控制进程。因此,对控制器硬件和控制器逻辑的要求比较低。开环模式主要用于价格敏感的应用和简单的运动任务。

闭环不同,由于没有对当前转子位置的反馈,因此无法推断施加到电机轴输出端的反转矩。为了补偿在电机输出轴上出现的任何扭矩波动,在开环模式中,控制器始终在整个转速范围内为定子绕组提供最大设定电流(如通过参数指定)。由此产生的高磁场强度会迫使转子在极短的时间内呈现新的稳定状态。但是,此转矩与转子的惯性矩是相反的。在特定操作条件下,该组合很容易发生共振,与弹簧质点系统类似。

调试

如需使用开环模式,须进行以下设置:

  • 在对象 2030h(极对数)中,输入极对数(参见电机数据表:对于两相步进电机,1.8° 步距角对应 50 个极对,0.9° 对应 100 个极对)。
  • 在对象 2031h(最大电流)中,输入最大电流 (mA)(参见电机数据表)。
  • 在对象 3202h(电机驱动子模式选择)中,将位 0 (CL/OL) 设为值“0”。
  • 如果要使用脉冲方向模式,则请遵循脉冲方向模式章节的相关说明。

必要时,应激活电机停顿时的电流降低,以降低功率损耗和热量积聚。如需激活电流降低,须进行以下设置:

  • 在对象 3202h(电机驱动子模式选择)中,将位 3 (CurRed) 设为“1”。
  • 在对象 2036h(开环电流降低空闲时间)中,指定激活电流降低之前电机必须处于停顿状态的时间(毫秒)。
  • 在对象 2037h(开环电流降低值/因数)中,指定均方根 (RMS),如果在开环中激活电流降低,且电机停顿时,额定电流将降低到该均方根值。

优化

根据不同系统,在开环模式下可能会发生共振;在低负载时尤其容易受共振影响。实践经验表明,根据不同应用,多种措施均能够大幅减少共振:

  • 降低或增大电流,请参见对象 2031h(最大电流)。过多的转矩储备会助长共振。
  • 降低或增大工作电压,同时考虑产品特定范围(具有足够的转矩储备)。请参见产品数据表查看允许的工作电压范围。
  • 通过对象 3210h:09h (I_P) 和 3210h:0Ah (I_I) 优化电流控制器的控制参数。
  • 根据所选控制模式调整加速度、减速度和/或目标转速:
    标准定位工作模式
    对象 6083h(标准加速度)、6084h(标准减速度)和 6081h(标准速度)。
    速度工作模式
    对象 6048h(速度加速度)、6049h(速度减速度)和 6042h(目标速度)。
    标准速度工作模式
    对象 6083h(标准加速度)、6084h(标准减速度)和 6081h(标准速度)。
    找零工作模式
    对象 609Ah(找零加速度)、6099h:01h(搜索开关时的速度)和 6099h:02h(搜索零点时的速度)。
    插补位置模式工作模式
    可通过高级控制器影响加速和减速斜坡。
    周期同步定位工作模式
    可通过外部“定位规定/时间单位”目标影响加速和减速斜坡。
    周期同步速度工作模式
    可通过外部“定位规定/时间单位”目标影响加速和减速斜坡。
    脉冲方向工作模式
    通过对象 2057h(脉冲方向乘法器)和 2058h(脉冲方向除法器)更改步进分辨率。通过调整脉冲频率优化加速/减速斜坡,以尽快传递共振范围。

闭环

简介

闭环理论基于控制回路的理念。应对作用在系统的干扰进行快速补偿,且没有持续偏差,从而将控制变量调整回设置点。

闭环,以速度控制为例:

PII = 比例-积分电流控制回路
PIV = 比例-积分速度控制电路
I实际 = 实际电流
V实际 = 实际速度

闭环方法也称为“通过编码器产生受到磁场定向控制的正弦变换”。闭环技术的核心是经过性能调整的电流控制,以及过程实际值的反馈。使用编码器信号获得转子定位,并在电机绕组中产生正弦形状的相电流。磁场的矢量控制确保定子的磁场总是垂直于转子磁场,而电场强度则精确地对应于所需转矩。绕组中的电流受到控制,保证作用力均匀一致,使电机平稳运行,从而实现精确的控制。

可通过多种技术实现闭环模式所需控制变量的反馈。除使用编码器或霍尔传感器的物理反馈以外,还可以通过基于软件的模型计算以虚拟方式记录电机参数。可以借助所谓的“观察者”通过电流控制器的数据重建物理变量(如速度或反电动势)。通过这种无传感器技术,能够获得一种可以提供位置和速度信息的“虚拟旋转编码器”,该编码器在达到某个最小转速时开始工作,精度等同于实体光学编码器或磁性编码器。

所有支持闭环模式的 Nanotec 控制器均可通过正弦换向电流控制实现磁场定向控制。因此,步进电机和直流无刷电机的控制方式与伺服电机相同。对于闭环模式,可在行程期间对步进角度误差进行补偿,并在一个整步内对负载角误差进行修正。

调试

使用闭环模式前,必须执行自动设置。自动设置工作模式可自动确定实现磁场定向控制的最佳操作所需要的必要参数(如电机数据、反馈系统)。请参见自动设置一章了解执行自动设置所需要的所有信息。

无需为即插即用电机执行自动设置,因为此操作已在工厂完成。

必须设定 3202h 中的位0必须设为值“1”。

且必要时,须将相应的 开关(参见特殊驱动模式(脉冲方向和模拟转速)一章)设为“开”

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