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伺服参数调整方法

作者:倍尔福  来源:本站  发表时间:2017-02-26 16:12:55   浏览:

一、伺服驱动器的参数调整理论基础
  伺服驱动器包括三个反馈环节:位置环、速度环以及电流环。最内环(电流环)的反应速度最快,中间环节(速度环)的反应速度必须高于最外环(位置环)。如果不遵守此原则,将会造成电机运转的震动或反应不良。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能,故用户只需调整位置环与速度环的增益即可。通常来说,要求位置环的反应不能快于速度环的反应。因此,若要增加位置环的增益,必须先增加速度环的增益。如果只增加位置环的增益,电机很可能产生震动,从而将会造成速度指令及定位时间的增加,而非期望的减少。 
  如果位置环反应比速度环反应还快,由于速度环反应相对较慢,速度环的输出变化无法跟上位置环输出的速度指令的变化,因此就无法达到平滑的线性加速或减速。而且,位置环会继续累计脉冲偏差,从而增加速度指令。这样,电机速度会超过给定值,然后位置环会尝试减少速度指令输出量,这样又会导致速度环反应会变得很差,电机将赶不上速度指令。整个速度指令会如图1所示振动。如果发生这种情形,就必须减少位置环增益,或增加速度环增益,以防止速度指令振动。 
  位置环增益不可超过机械系统的自然频率,否则会产生较大的振荡。当整个系统需要很快的反应时,仅仅确保采用的伺服系统(控制器、伺服驱动器、电机以及编码器)的快速反应是不够的,还必须要确保其控制的机械系统也具有较高的刚性,这样才能使得整个系统具有较好的刚性。


二、伺服驱动器关键参数的调整原则
速度环增益
  主要用来决定速度环的反应速度。在机械系统不震动的前提下,参数设定的值愈大,反应速度就会增加。在确保负载惯量比的设定值处于允许范围的条件下,速度环的增益设置就可以达到设计时允许的数值范围,从而确保速度环的快速反应。
  增大速度环的比例增益,则能降低转速脉动的变化量,提高伺服驱动系统的硬度,保证系统稳态及瞬态运行时的性能。但是在实际系统中,速度环比例增益不能过大,否则将引起整个伺服驱动系统振荡。  


速度环积分时间常数
    速度环的积分作用可以减小电机速度的脉动,但积分作用也会延迟伺服驱动器的反应。速度环积分对速度跟踪位置指令的影响不是很大,但过大的速度环积分时间会延迟速度环的反应时间。因此,时间常数增加时,驱动器的反应时间变慢,从而所需的定位时间就愈长。
    当负载惯量很大,或者机械系统很可能出现震动时,必须增大速度环积分时间常数,否则机械系统将很可能出现震动。设置时可参考如下进行:
i:积分时间参数[s]
Kv:速度回路增益 [HZ] 


速度环参数调节与负载惯量的关系
    当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比增大以及负载的摩擦转矩增大时,宜增大速度环比例增益和积分时间常数,以满足运行稳定性的要求。
    当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比减小以及负载的摩擦转矩减小时,宜减小速度环比例增益和积分时间常数,保证低速运行时的速度控制精度。

 
位置环增益
  位置环增益是交流伺服系统的基本指标之一,它与伺服电机以及机械负载有着密切的联系。
  通常伺服系统的位置环增益越高,电机速度对于位置指令响应的延时减少,位置跟踪误差愈小,定位所需时间越短,但要求对应的机械系统的刚性与自然频率也必须很高。而且当输入的位置量突变时,其输出变化剧烈,机械负载要承受较大的冲击。此时,驱动器必须进行升降速处理或通过上位机用编程措施来缓冲这种变化。
  当伺服系统位置环增益相对较小时,调整起来比较方便,因为位置环增益小,伺服系统容易稳定,对大负载对象,调整要简单些。同时,低位置环增益的伺服系统频带较窄,对噪音不敏感。因此,作为伺服进给用时,位置的微观变化小,但低位置环增益的伺服系统位置跟踪误差较大,进行轮廓加工时,会在轨迹上形成加工误差。  

转矩指令滤波时间常数
    机械系统在某些情况下可能会出现转矩共振现象,产生尖锐的振动噪音。通过增加转矩指令滤波时间常数可减弱或停止此振动噪音。
    但是此参数与积分时间常数一样,都会对系统反应造成延迟。因此,不可将此参数的值设得太大。

手动增益调整参考方法
    伺服驱动器作为一个完整的控制系统,其各参数之间总是相互制约的。例如如果只有位置环增益增加,而速度环增益较低,那么位置环输出的指令可能会变得不稳定,以致整个伺服系统的反应可能会变得不稳定。


通常可参照下列步骤对系统进行初步参数调整:
a)将位置环增益即先设在较低值,然后在不产生异常响声和振动的前提下,逐渐增加速度环的增益至最大值。
b)逐渐降低速度环增益值,同时加大位置环增益。在整个响应无超调、无振动的前提下,将位置环增益设至最大。
c)速度环积分时间常数取决于定位时间的长短,在机械系统不振动的前提下,尽量减小此值。
d)随后对位置环增益、速度环增益及积分时间常数进行微调,找到最佳值。
    在全数字伺服驱动器中还没集成参数自调整功能时,在机器调试阶段中参考以上方法对系统的调试还是有一定的帮助。 


位置环和速度环参数调整不合适对伺服性能的影响 
1、速度环积分时间常数
数值设置太高:
    速度环积分对速度跟踪位置指令的影响不是很大,但过大的速度环积分时间会延迟速度回路的反应时间。 
数值设置太低:
    速度环积分时间太短,破坏了速度回路的稳定性,电机速度的波动增加,伺服变得不稳定,运行中可伴有尖锐的震动噪音。

位置环和速度环参数调整不合适对伺服性能的影响 


2、速度环增益
数值设置太高:
    与速度环积分时间太小的影响一样,速度环增益的提高同样破坏了系统稳定性,电机速度波动加剧。故两者的调整必须保持协调,增大速度环增益的同时应该增加速度环积分时间,否则伺服系统会振荡。 


数值设置太低:
    速度环增益太低也会导致电机速度出现波动。比较速度增益过高的情形可知,此时电机速度的波动频率更低。这充分表明了速度环增益的提高使系统的工作频率得到了提高,控制系统的快速响应性能好,能更有效地克服干扰作用的影响。
    此外,当速度环增益远小于位置环增益时,伺服的稳定性也会被破坏,电机速度在运行过程中也会不断地波动。一般情况下尽量保证速度环增益大于位置环增益。
位置环和速度环参数调整不合适对伺服性能的影响 


3、位置环增益
数值设置太高:
    在位置伺服系统中,调高位置增益虽然可以使得电机速度对于位置指令响应的延时减少,但位置环增益过高引起系统开环的总增益加大,易造成系统不稳定,可体现为电机速度波动有所加剧。 
数值设置太低:
    在伺服系统中,位置环的工作频率远比速度环要低。位置环增益过低时,系统难以抵消在速度响应过程中造成的位置偏差,从而导致电机的速度跟踪严重滞后于位置指令速度。

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