更加智能的伺服控制软件可以提高CNC、机械以及其他运动控制应用的速度和性能。伺服控制器通常使用传统的级联式配置，即速度环嵌套在位置环里面。这种配置起源的时候电流和速度控制器是通过硬件实现的，而位置控制是通过软件实现的。由于其简单的特点，至今还一直很流行。首先调整的是速度控制器，接下来是位置控制器，而电流控制参数一般都自动设定。位置控制器通常包括一个简单的比例系数控制工程网版权所有，而速度控制器包括一个比例系数和一个积分过程（图1）。

图1  本图展示了传统的层级控制回路。本文所有图片来源：Servotronix公司

　　这个配置的缺点是在运动与速度成比例时产生的固有的跟踪错误。前馈方式可能减少这种错误，可是其代价是超调和更长的稳定时间。一套自适应非线性控制算法可以在高精度运动应用中克服这些限制并优化伺服性能。这里测试的专有算法使用平行配置，即所有的分支都在相同水平上且在各自的采样期间内执行。在每个分支里，引入可变增益参数并且为高增益和稳定性而自动优化。其结果是位置误差和稳定时间控制在最小水平，优于其他控制器的性能。
　　该算法的主要组成部分是一个可变增益模块，它带来了非常低的跟踪误差，以及一个自适应前馈模块，从而使所需的稳定时间非常短（图2）。

图2   HD Control (HDC)是Servotronix运动控制公司为了优化
高精度运动应用中的伺服性能而开发的一套自适应非线性控制算法。
这个专有算法使用平行配置，即所有的分支都在相同水平上且在各自的采样期间内执行。

　　可变增益控制
　　可变增益(VGd，VGp，VGiv，VGi)在内部计算并由算法在运行过程中动态修改。每一个增益都是系统变量的特殊功能CONTROL ENGINEERING China版权所有，例如速度和位置误差。在运动的时候变量增益可以达到静止时的10倍。这在运动中产生了高度精确的路径跟随，同样对于安静的低速运行和静止的情况。不仅如此，系统的刚度在运动时增加超过3倍，带来非常低的跟踪误差。
　　4个可变增益通过保持系统稳定性的专有算法来平衡的。Kd参数分支可以与速度反馈回路比较，用来降低速度误差。Kp参数分支是一个位置反馈比例回路www.cechina.cn，用来降低位置误差。Ki参数分支是一个位置反馈积分回路，用来降低静止误差。
　　Kiv参数分支是这个算法里面特有的www.cechina.cn，结合了Kp和Ki分支的效果。在不产生震动的情况下，它产生的刚度要比Kp产生的高两倍。它在加速和静止的时候都降低了跟踪误差。它也像Ki那样消除了静止误差，而且因为Kp带来了快速响应时间(图3)。

图3   Kiv这个Servotronix HDC 算法里面的特有的参数分支减少了跟踪误差。

　　自适应前馈
　　自适应前馈模块的作用是实现短的稳定时间。由于Kiv和Ki分支的超常的能量，绝大多数的反馈响应 (电流指令)来自于积分项。在运动的时候，加速度和马达扭矩之间的对应关系被监控，这种关系在减速过程中被用于处理积分项。
　　在运动结束的时候，自适应前馈算法根据预料的路径加速修改积分项的内容，因此获得零稳定时间的结果(图4)。

图4   积分项处理的结果是稳定时间几乎为0。HDC的调整简单直观，其执行与传统的PID调整非常类似。每个可变增益逐渐增多直到出现震动行为，然后减少大约10%到20%到一个安全值。

　　自动调整
　　算法被集成到一个伺服传动系列中(图5)。接口软件执行自动调整。尽管通常自动调整就足够了，某些应用还需要手动调整来优化控制参数。

图5   HDC被集成到CDHD私服传动之中。调整是由Servotronix公司的CDHD接口软件ServoStudio自动进行的。尽管通常自动调整就足够了，某些应用还需要手动调整来优化控制参数。

　　自动调整和手动调整是基于相同的原理。在自动调整时，运动的质量是由传动和软件进行测量和评估的。在手动调整时，运动的质量是由用户评价的。两种方式下，伺服控制参数都是逐步的进行修改并选择获得最佳性能的值。
　　算法的调整简单直观，其执行与传统的比例-积分-微分（PID）调整非常类似。每个可变增益逐渐增多直到出现震动行为，然后减少大约10%-20%到一个安全值。
　　更高的精度
　　一台龙门式机器人应用要求在最大速度时保持2到3微米的精度。使用具有描述过的软件算法的伺服传动在保持需要的精度的同时将速度从120mm/s增加到160mm/s，其结果是让机器的生产能力提升33%。
　　在与另一个伺服传动在160mm/s速度的比较测试中，获得了更高的精度以及更低的波动（图6）。

图6   一台龙门式机器人应用要求在最大速度时保持2到3微米的精度，具有HDC算法的CDHD伺服传动在保持需要的精度的同时将速度从120mm/s增加到160mm/s。

　　事实证明在需要精确路径跟踪和低稳定时间的应用中使用高级算法具有特别的优势控制工程网版权所有，例如CNC和切割、传送带跟踪、拾取和放置操作、PCB放置、焊接、涂色、涂层以及粘合等。(作者：Yves Villaret)