(プロジェクト) FPGAデュアルモーターマスタースレーブの高速かつ安定した制御の実装
第1章 サーボモータの3つの制御方式と3つのクローズドループ制御
サーボモータの3つの制御方式と3つのクローズドループ制御
序文
人工知能の発展に伴い、モータ制御の基盤技術の重要性はますます高まっており、モータを安定して制御するには以下の内容を理解する必要があります。
1. モーターの制御方法
サーボモータにはトルク、位置、速度の 3 つの制御モードがあり、以下に説明します。
1. トルク制御。トルク制御方式は、外部アナログ入力または直接アドレス指定により、モータ軸の外部出力トルクを設定します。例えば、10Vが5Nmに相当する場合、外部アナログ値を5Vに設定すると、サーボモータの軸出力は2.5Nmとなります。トルク制御方式は主に、布線装置や伸線装置など、材料の力に対する要求が厳しい巻き取り・巻き出し装置で使用され、材料の変化に応じてトルク設定を随時変更する必要があります。材料の巻き取り半径が変化しても力が変化しないことを確認するための巻き取り半径。
2. 位置制御。位置制御モードは、外部から入力されるパルスの周波数で回転速度、パルス数で回転角度を求めるのが一般的ですが、サーボモータによっては通信により速度や変位を直接指定できるものもあります。位置モードは速度と位置の両方を厳密に制御できるため、位置決め装置に一般的に使用されます。
3. 速度制御。回転速度はアナログ入力またはパルス周波数で制御可能 速度モードは上位制御装置のアウタループPID制御がある場合の位置決めにも使用できますが、モータの位置信号または直接モータの位置信号ホストに負荷を与える必要があり、計算のためのフィードバック。ポジションモードでは、負荷外輪の位置信号の直接検出にも対応しており、このときモータ軸端のエンコーダはモータ速度のみを検出し、位置信号は最終負荷端の直接検出装置から供給されます。中間送信エラーの必要性が減り、システム全体の位置決め精度が向上するという利点があります。
2. モーター用の 3 つの閉ループ負帰還 PID 制御システム
サーボ モータは一般に 3 つのループによって制御されます. いわゆる 3 ループは 3 つの閉ループ負帰還 PID 調整システムです. 以下に紹介します: 1. 最も内側のループは電流ループです. このループは完全にサーボ ドライバの内部で実行され
ます、ホール素子を介してドライバを検出し、モータの各相の出力電流を与え、出力電流が設定電流に限りなく近くなるように電流設定値に負帰還をかけてPID調整を行います。電流ループがモーターのトルクを制御するため、トルク モードではドライバーの操作が最小限で済み、動的応答が最も速くなります。
2. 2 番目のループは速度ループで、サーボ モーター エンコーダの検出信号を通じて負帰還 PID 調整を実行します。ループ内の PID 出力は直接電流ループの設定となるため、速度ループ制御には速度ループが含まれます電流ループ、つまり、どのモードでも電流ループを使用する必要があります。電流ループは制御の基礎です。速度と位置が制御される一方で、システムは実際に電流 (トルク) を制御して、対応する速度と位置の制御を実現します。 。
3. 最も外側のループは位置設定および調整リンクである位置ループであり、ループ内の PID 出力は直接速度ループの設定となります。フィードバック信号はモーターエンコーダーまたは最終負荷から取得できますが、実際の状況に応じて決定する必要があります。位置制御ループの内部出力が速度ループの設定となるため、位置制御モードでは 3 つのループすべてで計算が行われますが、このときの計算量が最も多く、動的応答速度も最も遅くなります。
3. 3 閉ループ位置制御方式ケース永久磁石同期モータベクトル制御 (9)
3.1 3 クローズドループ制御システムとは何ですか?
二重閉ループ (速度ループと電流ループ) 制御に基づいて、速度外側ループに位置外側ループが追加されます。この位置外側ループの主な機能は、モーターを指定された位置に正確に追従させることです。位置閉ループシステムとも呼ばれます。原理はダブルクローズドループ方式と同様で、モータの目標位置と実際の位置との差をとり、その偏差を速度調整器の速度として利用します。位置偏差が大きいほど、それに対応して与えられる速度も大きくなります。
二重閉ループ制御システムとの最大の違いは、三閉ループは主にモーターをどこで回すかという問題を解決するのに対し、二重閉ループは主にどのくらいの速さで回転させるかという問題を解決することです。
3.2 3 クローズドループシステムの制御原理と構成
上の図に示すように、具体的な紹介は概略ブロック図と組み合わされています。基本的な二重閉ループ制御に基づいて位置ループが追加されており、二重閉ループを速度制御モジュールとみなすことができ、位置レギュレータは指定された位置信号と実際の位置検出信号の差を設定します。この制御モジュールの値として速度が与えられ、モーターが所望の速度と方向で回転するように制御され、それによってモーターの位置が制御されます。
例で説明すると分かりやすいですが、与えられた位置が 350°、実際の位置が 50°であり、目標位置角度までモーターを回転させたい場合は、モーターを時計回りに 300°回転させる必要があります。このとき位置調整器はモータの正転を制御する指令を出力し、速度ループは指令を受けて時計回りに回転し、目標位置に到達すると回転を停止します。
3.3 位置ループパラメータの設計アイデア
最初のステップ: 二重閉ループ パラメーター設計。モーター速度追従性能が優れており、ステップ応答効果が良好で、システムが高速です。前述したように、3 閉ループの基本は 2 ループ制御ですが、良好な位置制御システムを実現するには、2 ループ制御の効果を最適な値に調整する必要があります。
ステップ 2: 位置ループのパラメーター設計。位置フィードバック量と位置レギュレータは、シミュレーション システムのブロック線図をセクション 2 のブロック線図原理と一致させるために導入されます。入力信号が与えられ、位置ループ パラメータが調整されます。
1. 与えられた信号: 最初の与えられた入力信号は、傾きが小さいスロープ信号であることをお勧めします。
2. レギュレータの設定: レギュレータを純粋な P レギュレータに設定することをお勧めします。これは、ほとんどの位置制御ではオーバーシュートが許容されず、位置 P レギュレータの初期パラメータをわずかに大きく設定でき、テストを開始できるためです。 500。
3. 制限値の設定: 位置レギュレータの出力制限値をモータの定格速度に設定することをお勧めします (二重閉ループ PI パラメータは、モータの定格速度への迅速かつ安定した追従を満たします)。
3.4 実験結果
実際には、基本的には二重閉ループに基づいて位置ループを追加することになります。実際、難易度も構造も比較的単純ですが、純粋な PI が特に理想的なパラメータを必要とする場合、高精度と高速応答速度を達成するには、フィードフォワード補償を大きくするのですが、今回はPIを調整する方法だけを試してみました。
下の図は、ローターの指定位置と実際の位置を示しています (この時点での指定位置は凹曲線です) 赤色が実際の位置、青色が指定位置です。
負荷の動作を見ると、上記4つの変動はそれぞれ2N、4N、10N、15Nと小さい範囲で変動しており、素早く所定の位置に復帰していることが分かります。
3.5 概要
1. 3 ループ位置制御ではモータがどこで回転するかが目標ですが、2 ループ制御ではどれだけ早く回転するかが目標となり、両者には大きな違いがあります。
2. 位置調整器は、与えられた位置信号と実際の位置検出信号の差を制御モジュールによって与えられた速度として設定し、それによってモーターが所望の速度と方向で回転するように制御し、それによってモーターの位置を制御します。
3. 二重ループは位置制御の重要な基盤です 位置制御の前に、二重ループ システムの性能を最適化することが第一の条件です。
4. デザインのアイデアが明確である必要があります