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？

許多運動控制應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)實中即使選擇最先進的伺服系統(tǒng)以及最完滿的PID伺服參數(shù)，最終的運動效果往往也難以達到理想狀態(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)控制設計，以實現(xiàn)對伺服電機精確的位置、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際位置信號和位置命令得出位置誤差，經過PID運算之后獲得輸出值，一般位置環(huán)的輸出值會作為下一個環(huán)，也就是速度環(huán)的輸入。

我們再看速度環(huán)模型，位置環(huán)的輸出實際是速度命令，與通過各種類型的速度傳感器獲得實際速度相減得出速度誤差，進行PI運算之后得到輸出，即扭矩命令，也就是電流環(huán)的輸入端。電流環(huán)原理和另外兩個環(huán)的原理類似。

假設我們此時轉動電機，盡管對PID參數(shù)進行了大量微調，我們發(fā)現(xiàn) 還是無法實現(xiàn)想要的負載運動軌跡。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。

我們從示波器中獲得軸的速度曲線和跟隨誤差曲線。過大的跟隨誤差對于用戶來說運動軌跡沒有達到設計需求，或者更嚴重的跟隨誤差會帶來運動軸的過沖，引起報警或帶來安全隱患。

原因之一就是，如之前的介紹，PID控制回路要輸出任何內容，就必須一直有一個誤差可供計算。

另一個原因是現(xiàn)實情況下，PID控制的目標需要再達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載，PID增益代表了這些不同目標之間的折衷。

前饋功能的原理

如果有某種方法可以為運動控制器提供更多信息，也許我們可以減輕PID環(huán)路的負擔，同時仍然減少位置誤差 — — 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，以此補償擾動對被控變量的影響。這個改變不受實際系統(tǒng)中測量的任何內容（例如編碼器位置）的影響。

前饋位于伺服環(huán)之外，至于該如何設定這來自于算法的設計，即系統(tǒng)如何對所需運動曲線或其他因素的變化做出反應。

前饋對運動模型的預測越好，伺服反饋環(huán)路必須執(zhí)行的操作就越少，機器性能就越準確、響應越靈敏。

ProCon高階前饋功能

YKCAT2前饋技術基于40年歷史的德國CNC算法庫。通過設定軸的動力學參數(shù)、用戶選擇的運動學模型以及X86的強大算力，獲得精確的運動預測模型補償擾動對軸的影響，并通過EtherCAT總線 將計算結果傳遞給伺服的電流環(huán)和速度環(huán)偏移接口，最終達到最佳的運動控制效果。

我們打開YKCAT2前饋功能，再次運動。跟隨誤差被有效地降低了，顯著提高了電機的跟隨性能。

以下我們展示兩種，相對能直接看到前饋功能意義的運動控制應用。

應用一：提升軌跡精度

減少跟隨誤差最直接的價值，是提高軌跡運動的控制精度。我們使用這個平臺運行類似手機中框的圖形。

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

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

應用二：縮短整定時間

在高性能點位控制的場景，縮短關鍵軸的整定時間是核心需求，特別是短距離高加減速的場景。前饋功能針對用戶的具體運動模型，提高了軸的跟隨性能，因此可以縮短關鍵軸的整定時間。

在0.01mm的定位精度下，未開啟前饋的實際運動時間為454ms、整定時間132ms,開啟前饋后的運動時間為428ms、整定時間106ms。前饋功能使軸的整定時間縮短約20%。

前饋技術的拓展

我們知道，軸在克服靜摩擦力時會導致機構振動，而動摩擦力會影響力矩輸出的穩(wěn)定。

完全基于反饋控制的龍門控制難以實現(xiàn)高動態(tài)的同步性能。

審核編輯：劉清