伺服系统的参数调整和性能指标试验.docx

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1、伺服系统的参数调整和性能指标试验1伺服系统的参数调整理论基础伺服系统包括三个反馈回路(位置回路、速度回路以及电流回路)。最内环回路的反应速度最快，中间环节的反应速度必需高于最外环。假使未遵守此原则，将会造成震惊或反应不良。伺服驱动器的设计可确保电流回路具备良好的反应效能。用户只需调整位置回路与速度回路增益。T : frt5删冏号敷图1伺服系统方块图一般而言，位置回路的反应不能高于速度回路的反应。因此，若要增加位置回路的增益，必需先增加速度回路增益。假如只增加位置回路的增益，震惊将会造成速度指令及定位时间增加，而非削减。假如位置回路反应比速度回路反应还快，由于速度回路反应较慢，位置回路输出的速度

2、指令无法跟上位置回路。因此就无法达到平滑的线性加速或减速，而且，位置回路会连续累计偏差，增加速度指令。这样，电机速度会超过，位置回路会尝试削减速度指令输出量。但是，速度回路反应会变得很差，电机将赶不上速度指令。速度指令会如图2振动。要是发生这种情形，就必需削减位置回路增益或增加速度回路增益，以防速度指令振动。速度指令控制器K除速度指令输出。控制器含卜算所得之速度指令图2速度指令位置回路增益不行超过机械系统的自然频率，否则会产生较大的振荡。例如，机械系统若是连接机器人，由于机器的机械构造采纳减低波动的齿轮，而机械系统的自然频率为1020Hz,因此其刚性很低。此时可将位置回路增益设定为10至20(

3、1s) 假如机械构造系统是晶片安装机、IC黏合机或高精度工具机械，系统的自然频率为70Hz以上。因此，可将位置回路增益设定为70(1s)或更高。需要很快的反应时，不只是要确保采纳的伺服系统(掌握器、伺服驱动器、电机以及编码器)的反应，而且也必需确保机械系统具备高刚性。1.1 沟通伺服系统相关参数的设定速度回路增益主要用以打算速度回路的反应速度。在机械系统不震惊的前提下，参数设定的值愈大，反应速度就会增加。假如负载惯量比设定的正确，速度回路增益的值就可以达到预想数值。负载惯量比设定为以下的值。负载惯量比设定值二电机轴转换负载惯性(Jl) /伺服电机转子惯性(Jm) *100 (%)速度回路积分时

4、间参数：速度回路具有积分元件，可以反应微小的输入。此积分元件会延迟伺服系统的作业，因此，时间参数增加时，反应时间愈慢，所需的定位设定时间就愈长。负载惯性很大，或者机械系统很可能消失震惊时，回路积分时间参数必需足够大；否则机械系统将会震惊。以下就是参考标准。Ti 2.3*50.5万 * K、,Ti:积分时间参数sKv：速度回路增益(从上述计算)HZ转矩指令滤波时间参数：机械系统在某些状况下可能会消失转矩共振现象，产生尖锐声调的振动噪音。增加转矩指令过滤时间参数可停止此振动。但是此参数与积分时间参数一样，都会对系统造成延迟现象。因此，不行将此参数的值设得太大。位置回路增益：伺服系统的反应由位置回路

5、增益打算。位置回路增益设定为较高的值时，反应速度会增加,缩短定位所需时间。若是要将位置回路增益设定为高值，机械系统的刚性与自然频率也必需很高。系统各参数之间总是相互制约的，假如只有位置回路增益增加，位置回路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调整：a)将位置环增益即先设在较低值，然后在不产生特别响声和振动的前提下，渐渐增加速度环的增益至最大值。b)渐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

6、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。实际上现在数字伺服掌握系统都实现了自动调整相关参数，但是在机器调试阶段中参考以上方法对系统的调试还是有肯定的关心。1.2 电流掌握器增益的整定为了提高伺服系统的抗干扰性能，通常要在速度环内加入电流反馈内环。数字电流环一般包括A/D转换、坐标变换、电流调整器和PWM发生器几个部分。实际电机电流变化较快，数字电流环因其离散性而存在固有的时间滞后，因此，作为内环的电流环应具有较小的采样周期才能获得好的电流调整性能。而电流掌握器的比例增益则是其中一个重要参数。电流掌握器参数的确定，必需考虑以下因素：(1)由于电流掌握存在相位延迟，因此，当输入

7、三相正弦电流指令时，三相输出电流在相位上将产生肯定的滞后，同时在幅值上也会有所下降，由于这两个缘由，一方面破坏了电流矢量的解耦条件、另一方面降低了输出转矩。为了克服这种影响，在对电流相位进行补偿的同时需要增大电流环的增益。(2)由于电流检测器件的漂移误差会引起转速的波动，若提高电流掌握器的增益，必定会放大漂移误差,对转速的掌握精度产生不利的影响，故不能过大提高电流掌握器的增益。(3)为了保持电流环的稳定性，也不宜过于增加电流掌握器的增益。(4)电流环增益过大还会产生较大约转矩脉动和磁场噪音。电流调整器的增益应满意下列条件：(/+；+tpwm z)-i廿 / ic 1PWM 1cfA pc 八p

8、wm八b八4上式中，KpwM为PWM逆变器放大系数，。卬“为PWM逆变器开关的延时时间，为电流反馈滤波时间常数，K/为电流反馈增益，兀为电气时间常数。在沟通伺服系统中，电流环的掌握是影响沟通伺服系统掌握性能的关键。一般都要求电流环的掌握有良好的快速性，并且输出电流纹波小，然而由于采纳PWM掌握方式时，为防止上、下桥臂直通短路而加入的导通延时将阻碍提高电流掌握精度，且纹波电流大小取决于载波频率的上限，因此，采纳高性能的电流检测器和提高PWM载波频率可作为提高电流掌握环响应速度及提高闭环增益的有效措施。但通常的沟通伺服驱动产品中，电流环节相关参数在出厂时都设置好，避开用户自行调整。典型的沟通伺服系

9、统电流掌握环的频率特性如图3所示(采纳GTR)o4010-4015logkFfc图3电流掌握环频率特性1.3 沟通伺服系统速度掌握特性及整定速度掌握是沟通伺服系统中极为重要的一个环节，其掌握性能是伺服性能的一个重要组成部分。从广义上讲，速度伺服掌握应具有高精度、快响应的特性详细而言，反映为小的速度脉功率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。一般应采纳高辨别率、快响应且纹波小的速度检测器，采纳高性能电流检测器和较高开关频率的大功率电力电子器件。其性能指标主要有三点：(1)频率响应为300Hz以上；(2)速度掌握范围为1： 1000以上；(3)转速不匀称度小于6%。高精度的沟通伺服系统一般都要求

10、高性能的电流掌握，即提高电流掌握响应速度和改善电流波形，以得到高精度的转矩掌握性能。因此，一方面需要减小三相永磁同步伺服电动机速度反电势的正弦波形畸变以改善电动机空间磁场的分布；另一方由要减小电流检测的漂移误差，并适当对该误差加以补偿。同时，采纳高开关频率的功率器件(如IGBT),提高电流的掌握精度，削减引起转矩脉动的低次谐波电流重量，降低转速脉动。转速反馈对转速脉动产生影响的两个因素，是转速采样时间引起的检测滞后和转速检测的辨别率。其中若转速检测时间引起的滞后过大会恶化驱动系统的动态性能，易使伺服驱动系统在由高速切换到低速运行时产生振荡现象。而转速检测的灵敏度对伺服驱动系统在稳态运行的平稳性

11、有着至关重要的作用。假如增大速度掌握器比例增益，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，速度掌握器比例增益不能过大，否则将引起整个伺服驱动系统振荡。因此，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，宜增大比例增益和积分增益，即增大积分时间常数。以满意稳定性的要求。而当负载对象的转功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积分时间常数和比例增益，保证低速运行时的速度掌握精度。14沟通伺服系统位置掌握特性及整定作为进给驱动用的沟通伺服系统，在性能上有两方面的要求：一方面要有稳定平滑的瞬态响应

12、；另一方面稳态位置跟踪误差和动态位置跟踪误差要小，以获得高精度的位置掌握性能。沟通伺服系统位置掌握的主要性能指标：(1)位置环增益，位置环增益是沟通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亲密的联系。通常伺服系统的位置环增益越高，位置跟踪误差愈小，但在输入进给速度突变时，其输出变化猛烈，机械负载要承受较大的冲击。因此，必需设置自动升降速软件处理或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，调整起来比较便利，由于位置环增益小，侗服系统简洁稳定，对大负载对象，调整要简洁些。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

13、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。(2)动态位置跟踪误差。位置伺服系统的稳态位置跟踪误差可表示为稳态速度跟踪误差的形式： = Kp由上可知，提高位置环增益和截止频率是削减位置伺服系统位置跟踪误差的重要手段。典型状况下，沟通位置伺服系统的位置环增益Kp在5-150之间，截止频率为2050Hz范围。2系统动态性能测试试验在PC机下完成，协作上位软件为平台，以伺服测试软件作为试验波形测量的主要工具。试验过程如下：位置掌握模式下伺服调整的一般步骤：(1)调整位置环增益到一个恰当的值。(2)渐渐增加速度环增益至机器不产生特别响声或震惊。(3)渐渐增加位置环增益至

14、机器不产生振动。(4)依据定位完成时间降低速度环积分时间常数。2.1 阶跃响应部分(系统的响应性能)阶跃给定信号的产生(让机器丫轴走直线)速度倍率100% (这时电机实际速度约1250rpm)MF速度设为200mmsec, ML速度设为100mmsec加速度设为1000mmsec2设定采样时间为2000msPuIse Reference Speed： Max 1500, Min - 1500Feedback Speed: Max 1500, M i n -1500测量数据及分析1、参考标准状况下的波形图位置环增益130 (1 s)速度环增益227Hz速度环积分时间10ms该参数是在自动增益调整

15、状况下获得的，较为合适。在本文中该曲线被用来作为其他曲线好坏的参考依据。曲线中电机速度紧跟位置指令，无速度超调，且定位时间极短。2、速度环积分过低的状况位置环增益130(1 s)速度环增益227Hz速度环积分时间4msFeedback Speedpegs nd 詈j (IJ)P88S s_ndFeedback Speedmm)伺服掌握器的速度回路必需具有快速的反应性。图中速度曲线消失了波动，表明由于速度回路积分时间太短，破坏了速度回路的稳定性，造成伺服电机速度的波动，运行极不平稳。3、速度环积分较高位置环增益130 (1 s) 速度环增益227HZ速度环积分时间100msWJ)sd 1.IHFeedback Speed07m)本曲线与标准曲线相比差异不太明显。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。4、速度环增益较高位置环增益1