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197_电流环与速度环带宽配比失当引起的振荡现象
前年冬天,有个做卷绕设备的项目找到我。他们的机器在低速运行时一切正常,但产线速度提上去之后,张力就开始周期性波动,幅度越来越大,最后设备自己保护停机。现场工程师换了张力传感器、检查了机械传动、甚至把电机都拆下来重新对中,折腾了快两周,问题依旧。我到现场之后,先让他们把速度给定设成阶跃信号,用示波器同时抓速度反馈和电流反馈。波形一出来,我心里就有数了——速度反馈在稳态附近有一个大约几十赫兹的等幅振荡,而电流给定上叠加了一个频率更高的振荡分量。两个振荡频率之间大概差了五六倍。这就是典型的电流环和速度环带宽配比失当。先搞清楚这两个环在干什么驱动器内部一般至少有两层闭环:最里面是电流环,外面套着速度环,再外面可能还有位置环或张力环。电流环的任务是让电机绕组里的电流快速跟随给定值。它的响应速度决定了力矩建立的快慢。速度环的任务是让电机转速跟随给定值,它的输出就是电流环的给定。两层环串联在一起,内环相当于外环的执行机构。这就带来一个基本的约束关系:内环必须比外环快得多,外环才能稳定工作。道理不复杂。外环做调节的时候,它发给内环一个指令,内环需要在一定时间内把这个指令执行到位。如果内环执行得太慢,外环就会觉得“我让你加力矩,你怎么半天没反应”,于是继续加大输出。等内环终于响应了,外环已经给过头了,于是又往回拉。来回一折腾,振荡就起来了。带宽配比到底多少合适工程上有一个经验性的起点:速度环带宽取电流环带宽的1/5到1/10。注意,这是带宽的比值,不是增益的比值。带宽的单位是赫兹,指的是闭环幅频特性下降
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