許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中需要高精度的軌跡和位置控制以及盡量短的整定周期，然而現(xiàn)實(shí)中即使選擇最先進(jìn)的伺服系統(tǒng)以及最完滿的PID伺服參數(shù)，最終的運(yùn)動(dòng)效果往往也難以達(dá)到理想狀態(tài)。

那我們是否可以通過在伺服控制之外增加控制回路來提高性能呢？

現(xiàn)代伺服的三環(huán)介紹

理解前饋需要從伺服的控制回路開始，常見伺服系統(tǒng)都有三環(huán)控制設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)精確的位置、速度和電流的控制。

這里展示了常見位置環(huán)模型，通過位置傳感器獲得的實(shí)際位置信號(hào)和位置命令得出位置誤差，經(jīng)過PID運(yùn)算之后獲得輸出值，一般位置環(huán)的輸出值會(huì)作為下一個(gè)環(huán)，也就是速度環(huán)的輸入。

我們?cè)倏此俣拳h(huán)模型，位置環(huán)的輸出實(shí)際是速度命令，與通過各種類型的速度傳感器獲得實(shí)際速度相減得出速度誤差，進(jìn)行PI運(yùn)算之后得到輸出，即扭矩命令，也就是電流環(huán)的輸入端。電流環(huán)原理和另外兩個(gè)環(huán)的原理類似。

假設(shè)我們此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，盡管對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了大量微調(diào)，我們發(fā)現(xiàn) 還是無法實(shí)現(xiàn)想要的負(fù)載運(yùn)動(dòng)軌跡。在加速階段似乎總是存在滯后，而在減速階段似乎總是出現(xiàn)超調(diào)。

我們從示波器中獲得軸的速度曲線和跟隨誤差曲線。過大的跟隨誤差對(duì)于用戶來說運(yùn)動(dòng)軌跡沒有達(dá)到設(shè)計(jì)需求，或者更嚴(yán)重的跟隨誤差會(huì)帶來運(yùn)動(dòng)軸的過沖，引起報(bào)警或帶來安全隱患。

原因之一就是，如之前的介紹，PID控制回路要輸出任何內(nèi)容，就必須一直有一個(gè)誤差可供計(jì)算。

另一個(gè)原因是現(xiàn)實(shí)情況下，PID控制的目標(biāo)需要再達(dá)到高精度和減少震蕩之間取得平衡，并適合各種軌跡和各種負(fù)載，PID增益代表了這些不同目標(biāo)之間的折衷。

前饋功能的原理

如果有某種方法可以為運(yùn)動(dòng)控制器提供更多信息，也許我們可以減輕PID環(huán)路的負(fù)擔(dān)，同時(shí)仍然減少位置誤差 — — 這就是前饋。

前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法，在原理上完全不同于伺服PID控制系統(tǒng)，通過簡(jiǎn)單地將前饋數(shù)值添加到 PID 位置環(huán)輸出中來引入前饋，從而修改電流環(huán)或速度環(huán)命令，以此補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。這個(gè)改變不受實(shí)際系統(tǒng)中測(cè)量的任何內(nèi)容（例如編碼器位置）的影響。

前饋位于伺服環(huán)之外，至于該如何設(shè)定這來自于算法的設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)如何對(duì)所需運(yùn)動(dòng)曲線或其他因素的變化做出反應(yīng)。

前饋對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的預(yù)測(cè)越好，伺服反饋環(huán)路必須執(zhí)行的操作就越少，機(jī)器性能就越準(zhǔn)確、響應(yīng)越靈敏。

ProCon高階前饋功能

YKCAT2前饋技術(shù)基于40年歷史的德國(guó)CNC算法庫(kù)。通過設(shè)定軸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、用戶選擇的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及X86的強(qiáng)大算力，獲得精確的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)軸的影響，并通過EtherCAT總線 將計(jì)算結(jié)果傳遞給伺服的電流環(huán)和速度環(huán)偏移接口，最終達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)控制效果。

我們打開YKCAT2前饋功能，再次運(yùn)動(dòng)。跟隨誤差被有效地降低了，顯著提高了電機(jī)的跟隨性能。

以下我們展示兩種，相對(duì)能直接看到前饋功能意義的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。

應(yīng)用一：提升軌跡精度

減少跟隨誤差最直接的價(jià)值，是提高軌跡運(yùn)動(dòng)的控制精度。我們使用這個(gè)平臺(tái)運(yùn)行類似手機(jī)中框的圖形。

開啟前饋功能前后分別運(yùn)行一次圖形，通過示波器顯示出三條曲線：放大之后可以清晰看到，相同的運(yùn)動(dòng)速度下，粉色曲線更靠近綠色的CAD圖紙軌跡。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明：開啟前饋功能后，在相同的運(yùn)動(dòng)速度下，路徑的平均偏差由0.033mm降到0.013mm，軌跡精度提高了60%。

應(yīng)用二：縮短整定時(shí)間

在高性能點(diǎn)位控制的場(chǎng)景，縮短關(guān)鍵軸的整定時(shí)間是核心需求，特別是短距離高加減速的場(chǎng)景。前饋功能針對(duì)用戶的具體運(yùn)動(dòng)模型，提高了軸的跟隨性能，因此可以縮短關(guān)鍵軸的整定時(shí)間。

在0.01mm的定位精度下，未開啟前饋的實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間為454ms、整定時(shí)間132ms,開啟前饋后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為428ms、整定時(shí)間106ms。前饋功能使軸的整定時(shí)間縮短約20%。

前饋技術(shù)的拓展

我們知道，軸在克服靜摩擦力時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)振動(dòng)，而動(dòng)摩擦力會(huì)影響力矩輸出的穩(wěn)定。

完全基于反饋控制的龍門控制難以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的同步性能。

審核編輯：劉清