交流伺服系統(tǒng)的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)和指標(biāo)

1、伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整和性能指標(biāo)試驗(yàn)1伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整理論根底。最內(nèi)環(huán)伺服系統(tǒng)包括三個(gè)反響回路位置回路、速度回路以及電流回路 回路的反響速度最快，中間環(huán)節(jié)的反響速度必須高于最外環(huán)。假使未遵守此原那么, 將會(huì)造成震動(dòng)或反響不良。伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)可確保電流回路具備良好的反響效 能。用戶(hù)只需調(diào)整位置回路與速度回路增益。伺服系統(tǒng)方塊圖包括位置、速度以及電流回路，如圖1所示。Ogr4二二二二二二二汗|.逹1s I - 亠;泅占叫八料舁制卄N採(cǎi)地速度押俯vK*1i Mi iK,.F 廠 - Cww-嚴(yán) MW r. F-*-fe IL .盤(pán)號(hào)皓;刑祥片一_T捽制第由歴璽鴛】!Servapac-.Serygpa

2、ck圖1伺服系統(tǒng)方塊圖般而言，位置回路的反響不能高于速度回路的反響。因此，假設(shè)要增加位置回路的增益，必須先增加速度回路增益。如果只增加位置回路的增益，震動(dòng)將會(huì) 造成速度指令及定位時(shí)間增加，而非減少。如果位置回路反響比速度回路反響還快， 由于速度回路反響較慢，位置回路 輸出的速度指令無(wú)法跟上位置回路。因此就無(wú)法到達(dá)平滑的線(xiàn)性加速或減速，而 且，位置回路會(huì)繼續(xù)累計(jì)偏差，增加速度指令。這樣，電機(jī)速度會(huì)超過(guò)，位置回 路會(huì)嘗試減少速度指令輸出量。但是，速度回路反響會(huì)變得很差，電機(jī)將趕不上 速度指令。速度指令會(huì)如圖2振動(dòng)。要是發(fā)生這種情形，就必須減少位置回路增益或增加速度回路增益，以防速度指令振動(dòng)。速度指

3、令圖2速度指令控制器實(shí)際速麼指令締出亠 控制器計(jì)算所得之極麼指令位置回路增益不可超過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率，否那么會(huì)產(chǎn)生較大的振蕩。例如,機(jī)械系統(tǒng)假設(shè)是連接機(jī)器人，由于機(jī)器的機(jī)械構(gòu)造采用減低波動(dòng)的齒輪，而機(jī)械系 統(tǒng)的自然頻率為1020Hz,因此其剛性很低。此時(shí)可將位置回路增益設(shè)定為 10 至 20(1/s)。如果機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)是晶片安裝機(jī)、IC黏合機(jī)或高精度工具機(jī)械，系統(tǒng)的自然 頻率為70Hz以上。因此，可將位置回路增益設(shè)定為 70(1/s)或更高。需要很快的反響時(shí)，不只是要確保采用的伺服系統(tǒng)(控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、 電機(jī)以及編碼器)的反響，而且也必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。1.1交流伺服系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

4、的設(shè)定速度回路增益主要用以決定速度回路的反響速度。在機(jī)械系統(tǒng)不震動(dòng)的前提下，參數(shù)設(shè)定的值愈大，反響速度就會(huì)增加。如果負(fù)載慣量比設(shè)定的正確，速度 回路增益的值就可以到達(dá)預(yù)想數(shù)值。負(fù)載慣量比設(shè)定為以下的值。負(fù)載慣量比設(shè)定值=電機(jī)軸轉(zhuǎn)換負(fù)載慣性(Jl)/伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性(Jm)*100(%) 速度回路積分時(shí)間參數(shù)：速度回路具有積分元件，可以反響細(xì)微的輸入。此 積分元件會(huì)延遲伺服系統(tǒng)的作業(yè)，因此，時(shí)間參數(shù)增加時(shí)，反響時(shí)間愈慢，所需 的定位設(shè)定時(shí)間就愈長(zhǎng)。負(fù)載慣性很大，或者機(jī)械系統(tǒng)很可能出現(xiàn)震動(dòng)時(shí)，回路積分時(shí)間參數(shù)必須足 夠大；否那么機(jī)械系統(tǒng)將會(huì)震動(dòng)。以下就是參考標(biāo)準(zhǔn)。1T 一 2.3 -0.5 二 K

5、vTi:積分時(shí)間參數(shù)sKv :速度回路增益(從上述計(jì)算)HZ轉(zhuǎn)矩指令濾波時(shí)間參數(shù)：機(jī)械系統(tǒng)在某些情況下可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩共振現(xiàn)象，產(chǎn)生鋒利聲調(diào)的振動(dòng)噪音。增加轉(zhuǎn)矩指令過(guò)濾時(shí)間參數(shù)可停止此振動(dòng)。但是此參數(shù)與積分時(shí)間參數(shù)一樣，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成延遲現(xiàn)象。因此，不可將此參數(shù)的值設(shè) 得太大。位置回路增益：伺服系統(tǒng)的反響由位置回路增益決定。 位置回路增益設(shè)定為 較高的值時(shí)，反響速度會(huì)增加，縮短定位所需時(shí)間。假設(shè)是要將位置回路增益設(shè)定 為高值，機(jī)械系統(tǒng)的剛性與自然頻率也必須很高。系統(tǒng)各參數(shù)之間總是相互制約的，如果只有位置回路增益增加，位置回路輸 出的指令可能會(huì)變得不穩(wěn)定， 以致整個(gè)伺服系統(tǒng)的反響可能會(huì)變得不穩(wěn)定。

6、 通常 可參照以下步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整：a將位置環(huán)增益即先設(shè)在較低值，然后在不產(chǎn)生異常響聲和振動(dòng)的前提下， 逐漸增加速度環(huán)的增益至最大值。b逐漸降低速度環(huán)增益值，同時(shí)加大位置環(huán)增益。在整個(gè)響應(yīng)無(wú)超調(diào)、無(wú) 振動(dòng)的前提下，將位置環(huán)增益設(shè)至最大。c速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)取決于定位時(shí)間的長(zhǎng)短，在機(jī)械系統(tǒng)不振動(dòng)的前提 下，盡量減小此值。d隨后對(duì)位置環(huán)增益、速度環(huán)增益及積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行微調(diào)，找到最正確值。實(shí)際上現(xiàn)在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)， 但是在機(jī)器調(diào)試 階段中參考以上方法對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試還是有一定的幫助。1.2 電流控制器增益的整定 為了提高伺服系統(tǒng)的抗干擾性能，通常要在速度環(huán)內(nèi)參加電流反響內(nèi)環(huán)

7、。數(shù)字電流環(huán)一般包括 A/D 轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換、電流調(diào)節(jié)器和 PWM 發(fā)生器幾個(gè)部 分。實(shí)際電機(jī)電流變化較快， 數(shù)字電流環(huán)因其離散性而存在固有的時(shí)間滯后， 因 此，作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)應(yīng)具有較小的采樣周期才能獲得好的電流調(diào)節(jié)性能。 而電 流控制器的比例增益那么是其中一個(gè)重要參數(shù)。電流控制器參數(shù)確實(shí)定，必須考慮以下因素：1由于電流控制存在相位延遲，因此，當(dāng)輸入三相正弦電流指令時(shí)，三 相輸出電流在相位上將產(chǎn)生一定的滯后， 同時(shí)在幅值上也會(huì)有所下降， 由于這兩 個(gè)原因，一方面破壞了電流矢量的解耦條件、 另一方面降低了輸出轉(zhuǎn)矩。 為了克 服這種影響，在對(duì)電流相位進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)需要增大電流環(huán)的增益。2由于電流

8、檢測(cè)器件的漂移誤差會(huì)引起轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，假設(shè)提高電流控制器 的增益，必然會(huì)放大漂移誤差， 對(duì)轉(zhuǎn)速的控制精度產(chǎn)生不利的影響， 故不能過(guò)大 提高電流控制器的增益。3為了保持電流環(huán)的穩(wěn)定性，也不宜過(guò)于增加電流控制器的增益。4電流環(huán)增益過(guò)大還會(huì)產(chǎn)生較大約轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁場(chǎng)噪音。 電流調(diào)節(jié)器的增益應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：1 1 1(T -T )(Ta TpwMTf)-1T a T PWM T cfK pc :K PWM K cf K a上式中，Kpwm為PWM逆變器放大系數(shù)，Tpwm為PWM逆變器開(kāi)關(guān)的延時(shí)時(shí)間，Tcf為電流反響濾波時(shí)間常數(shù)，Kcf為電流反響增益，Ta為電氣時(shí)間常數(shù)。在交流伺服系統(tǒng)中，電流環(huán)的控制是影響

9、交流伺服系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵。一般都要求電流環(huán)的控制有良好的快速性，并且輸出電流紋波小，然而由于采用 PWM控制方式時(shí)，為防止上、下橋臂直通短路而參加的導(dǎo)通延時(shí)將阻礙提高電 流控制精度，且紋波電流大小取決于載波頻率的上限，因此，采用高性能的電流檢測(cè)器和提高PWM載波頻率可作為提高電流控制環(huán)響應(yīng)速度及提高閉環(huán)增益 的有效措施。但通常的交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品中，電流環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)在出廠時(shí)都設(shè)置 好，防止用戶(hù)自行調(diào)節(jié)。典型的交流伺服系統(tǒng)電流控制環(huán)的頻率特性如圖 3所示采用GTR。圖3電流控制環(huán)頻率特性1.3交流伺服系統(tǒng)速度控制特性及整定速度控制是交流伺服系統(tǒng)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其控制性能是伺服性能的 一個(gè)重

10、要組成局部。從廣義上講，速度伺服控制應(yīng)具有高精度、快響應(yīng)的特性具 體而言，反映為小的速度脈功率、快的頻率響應(yīng)、寬的調(diào)速范圍等性能指標(biāo)。一 般應(yīng)采用高分辨率、快響應(yīng)且紋波小的速度檢測(cè)器，采用高性能電流檢測(cè)器和較 高開(kāi)關(guān)頻率的大功率電力電子器件。其性能指標(biāo)主要有三點(diǎn)：1頻率響應(yīng)為 300Hz 以上；2速度控制范圍為 1：1000 以上；3轉(zhuǎn)速不均勻度小于 6。高精度的交流伺服系統(tǒng) 般都要求高性能的電流控制， 即提高電流控制響應(yīng) 速度和改善電流波形， 以得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制性能。 因此， 一方面需要減小三 相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)速度反電勢(shì)的正弦波形畸變以改善電動(dòng)機(jī)空間磁場(chǎng)的分 布；另一方由要減小電流檢

11、測(cè)的漂移誤差，并適當(dāng)對(duì)該誤差加以補(bǔ)償。同時(shí)，采 用高開(kāi)關(guān)頻率的功率器件 如 IGBT ，提高電流的控制精度， 減少引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 的低次諧波電流分量，降低轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。轉(zhuǎn)速反響對(duì)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)產(chǎn)生影響的兩個(gè)因素， 是轉(zhuǎn)速采樣時(shí)間引起的檢測(cè)滯后 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)的分辨率。 其中假設(shè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)時(shí)間引起的滯后過(guò)大會(huì)惡化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)性能，易使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在由高速切換到低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 而轉(zhuǎn)速檢 測(cè)的靈敏度對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的平穩(wěn)性有著至關(guān)重要的作用。如果增大速度控制器比例增益， 那么能降低轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的變化量， 提高伺服驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)的硬度， 保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能。 但是在實(shí)際系統(tǒng)中， 速度控制 器比

12、例增益不能過(guò)大，否那么將引起整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振蕩。因此，當(dāng)負(fù)載對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比增大以及負(fù)載的摩擦 轉(zhuǎn)矩增大時(shí)， 宜增大比例增益和積分增益， 即增大積分時(shí)間常數(shù)。 以滿(mǎn)足穩(wěn)定性 的要求。而當(dāng)負(fù)載對(duì)象的轉(zhuǎn)功慣量與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比減小以及負(fù)載的摩擦轉(zhuǎn) 矩減小時(shí)宜減小積分時(shí)間常數(shù)和比例增益，保證低速運(yùn)行時(shí)的速度控制精度。1.4 交流伺服系統(tǒng)位置控制特性及整定 作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的交流伺服系統(tǒng)，在性能上有兩方面的要求：一方面要有穩(wěn) 定平滑的瞬態(tài)響應(yīng)； 另一方面穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差和動(dòng)態(tài)位置跟蹤誤差要小， 以獲 得高精度的位置控制性能。交流伺服系統(tǒng)位置控制的主要性能指標(biāo)：1位置環(huán)增益，位置

13、環(huán)增益是交流伺服系統(tǒng)的根本指標(biāo)之一，它與伺服電機(jī)以及機(jī)械負(fù)載有著密切的聯(lián)系。通常伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益越高，位置跟蹤 誤差愈小，但在輸入進(jìn)給速度突變時(shí)，其輸出變化劇烈，機(jī)械負(fù)載要承受較大的沖擊。因此，必須設(shè)置自動(dòng)升降速軟件處理或用編程措施來(lái)緩沖這種變化。當(dāng)伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益相對(duì)較小時(shí)，調(diào)整起來(lái)比擬方便，因?yàn)槲恢铆h(huán)增益小，侗服系 統(tǒng)容易穩(wěn)定，對(duì)大負(fù)載對(duì)象，調(diào)整要簡(jiǎn)單些。同時(shí)，低位置環(huán)增益的伺服系統(tǒng)頻 帶較窄，對(duì)噪音不敏感。因此，作為伺服進(jìn)給用時(shí)，位置的微觀變化小，但低位 置環(huán)增益的伺服系統(tǒng)位置跟蹤誤差較大， 進(jìn)行輪廓加工時(shí)，會(huì)在軌跡上形成加工 誤差。2動(dòng)態(tài)位置跟蹤誤差。位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤

14、差可表示為穩(wěn)態(tài) 速度跟蹤誤差的形式：由上可知，提高位置環(huán)增益和截止頻率是減少位置伺服系統(tǒng)位置跟蹤誤差的 重要手段。典型情況下，交流位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益Kp在5150之間,截止頻率為2050Hz范圍。2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在PC機(jī)下完成，配合上位軟件為平臺(tái)，以伺服測(cè)試軟件作為實(shí)驗(yàn)波形 測(cè)量的主要工具。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：(1) 調(diào)整位置環(huán)增益到一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹怠?2) 逐漸增加速度環(huán)增益至機(jī)器不產(chǎn)生異常響聲或震動(dòng)(3) 逐漸增加位置環(huán)增益至機(jī)器不產(chǎn)生振動(dòng)。(4) 根據(jù)定位完成時(shí)間降低速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù) 。2.1階躍響應(yīng)局部(系統(tǒng)的響應(yīng)性能)階躍給定信號(hào)的產(chǎn)生(讓機(jī)器 丫軸走直線(xiàn))速度倍率100% (這

15、時(shí)電機(jī)實(shí)際速度約1250rpm)MF速度設(shè)為200mm/sec ML速度設(shè)為100mm/sec 加速度設(shè)為1000mm/se(?設(shè)定采樣時(shí)間為2000msPulse Referenee Speed Max 1500， Min -500Feedback Speed: Max 1500 Min -1500測(cè)量數(shù)據(jù)及分析1、參考標(biāo)準(zhǔn)情況下的波形圖位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益227Hz速度環(huán)積分時(shí)間10ms-15D0-7507H50-750-1SD0Fa喜 sckwp 蠱 d 尋a該參數(shù)是在自動(dòng)增益調(diào)整情況下獲得的，較為適宜。在本文中該曲線(xiàn)被用來(lái) 作為其他曲線(xiàn)好壞的參考依據(jù)。曲線(xiàn)中電機(jī)速度緊跟

16、位置指令， 無(wú)速度超調(diào)，且 定位時(shí)間極短。2、速度環(huán)積分過(guò)低的情況位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益227Hz速度環(huán)積分時(shí)間4ms蠱 dkcrtp 需 dF *十1歸 爾 朋 啲 跑Fl!H-ILcicsp&CL伺服控制器的速度回路必須具有快速的反響性。圖中速度曲線(xiàn)出現(xiàn)了波動(dòng)， 說(shuō)明由于速度回路積分時(shí)間太短，破壞了速度回路的穩(wěn)定性，造成伺服電機(jī)速度 的波動(dòng)，運(yùn)行極不平穩(wěn)。3、速度環(huán)積分較高位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時(shí)間100msEBflJdbBGk SpeedFeedback Speed本曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)相比差異不太明顯。速度環(huán)積分對(duì)速度跟蹤位置指令的影響不是很大

17、，但過(guò)大的速度環(huán)積分時(shí)間會(huì)延遲速度回路的反響時(shí)間。4、速度環(huán)增益較高位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益280HZ速度環(huán)積分時(shí)間10ms1HDPMD-750 150DIB本曲線(xiàn)中電機(jī)速度出現(xiàn)波動(dòng)，與速度環(huán)積分時(shí)間太小的影響一樣，兩者必須保持協(xié)調(diào)。增大速度環(huán)增益的同時(shí)應(yīng)該增加速度環(huán)積分時(shí)間，否那么伺服系統(tǒng)會(huì)振蕩。5、速度環(huán)增益太低速度環(huán)積分時(shí)間10msF 蠱 dbadktnp 第 cl 菱a位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益30HZ正如上面的分析一樣，速度環(huán)增益的降低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)速度出現(xiàn)波動(dòng)。比擬速 度增益過(guò)高的情形可知，本曲線(xiàn)中電機(jī)速度的波動(dòng)頻率更低， 這充分說(shuō)明了速度 環(huán)增益的提高使系統(tǒng)的工

18、作頻率得到了提高， 控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能好，能更 有效地克服干擾作用的影響。6、位置增益過(guò)低位置環(huán)增益50(1/s)速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時(shí)間10msJm_!4uidk Sp 黑 d在伺服系統(tǒng)中，位置回路的工作頻率遠(yuǎn)比速度回路要低。位置環(huán)增益過(guò)低時(shí)系統(tǒng)難以抵消在速度響應(yīng)過(guò)程中造成的位置偏差，故導(dǎo)致電機(jī)速度跟隨位置指令 時(shí)間間隔的延長(zhǎng)。7、位置增益過(guò)高位置環(huán)增益200(1/s)速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時(shí)間10msmianBBdba 吳 speBQ3?mla在位置伺服系統(tǒng)中，位置增益還影響穩(wěn)定性。該曲線(xiàn)中由于位置增益過(guò)高，使電機(jī)速度產(chǎn)生了波動(dòng)。另外，比照位置增益過(guò)低的情形可知， 該

19、曲線(xiàn)中電機(jī)速 度對(duì)于位置指令響應(yīng)的純延時(shí)減少了。8、位置增益太低位置環(huán)增益10(1/s) 速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時(shí)間10ms在測(cè)量該曲線(xiàn)時(shí)，我們把位置增益調(diào)得很低，這時(shí)電機(jī)速度跟隨位置指令表 現(xiàn)出了明顯的滯后，而且位置定位時(shí)間大大延長(zhǎng)了。位置定位系統(tǒng)的高精度和高 響應(yīng)性能大受影響。9、階躍信號(hào)力矩的觀察EJ*99shl n=本圖是對(duì)伺服系統(tǒng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中負(fù)載力矩的分析。曲線(xiàn)中紅線(xiàn)在電機(jī)加速的初始階段略高，而在中間段保持恒定，在減速階段又略低。從中可知，在該系統(tǒng)中 負(fù)載力矩受滾珠絲杠摩擦力的作用較大，且雜波較多。另外，一般情況下盡量保證速度環(huán)增益大于位置環(huán)增益。在位置增益較速度環(huán)增益大很多時(shí)，系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下有可能超調(diào)， 將嚴(yán)重破壞系統(tǒng)性能。如圖：-1500/X1h II A Ji_.H J.0魯1J-呷-15007900-75015007500-1 500999244934944952.2正弦響應(yīng)局部(系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能)正弦給定信號(hào)的產(chǎn)生(讓機(jī)器作圓弧運(yùn)動(dòng))SIGMA WIN 窗口中：采樣時(shí)間為5000msPulse Referenee Speed Max 1500，Min -500Feedback Speed: Max 1500 Min -500測(cè)量數(shù)據(jù)及分析1、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試參照曲線(xiàn)位置回路增益130 (1/s)速度回路增益227HZ 速度回路積分時(shí)間10ms1 -II卜