交流伺服系統(tǒng)的相關系統(tǒng)參數(shù)和指標

1、伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整和性能指標試驗1 伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整理論基礎伺服系統(tǒng)包括三個反饋回路（位置回路、速度回路以及電流回路）。最內(nèi)環(huán)回路的反應速度最快，中間環(huán)節(jié)的反應速度必須高于最外環(huán)。假使未遵守此原則，將會造成震動或反應不良。伺服驅(qū)動器的設計可確保電流回路具備良好的反應效能。用戶只需調(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。圖1 伺服系統(tǒng)方塊圖一般而言，位置回路的反應不能高于速度回路的反應。因此，若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，震動將會造成速度指令及定位時間增加，而非減少。如果位置回路反應比速度回路反應還快，由于速

2、度回路反應較慢，位置回路輸出的速度指令無法跟上位置回路。因此就無法達到平滑的線性加速或減速，而且，位置回路會繼續(xù)累計偏差，增加速度指令。這樣，電機速度會超過，位置回路會嘗試減少速度指令輸出量。但是，速度回路反應會變得很差，電機將趕不上速度指令。速度指令會如圖2振動。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。圖2 速度指令位置回路增益不可超過機械系統(tǒng)的自然頻率，否則會產(chǎn)生較大的振蕩。例如，機械系統(tǒng)若是連接機器人，由于機器的機械構造采用減低波動的齒輪，而機械系統(tǒng)的自然頻率為1020Hz，因此其剛性很低。此時可將位置回路增益設定為10至20(1/s)。如果機械構造

3、系統(tǒng)是晶片安裝機、IC黏合機或高精度工具機械，系統(tǒng)的自然頻率為70Hz以上。因此，可將位置回路增益設定為70(1/s)或更高。需要很快的反應時，不只是要確保采用的伺服系統(tǒng)（控制器、伺服驅(qū)動器、電機以及編碼器）的反應，而且也必須確保機械系統(tǒng)具備高剛性。1.1交流伺服系統(tǒng)相關參數(shù)的設定速度回路增益主要用以決定速度回路的反應速度。在機械系統(tǒng)不震動的前提下，參數(shù)設定的值愈大，反應速度就會增加。如果負載慣量比設定的正確，速度回路增益的值就可以達到預想數(shù)值。負載慣量比設定為以下的值。負載慣量比設定值=電機軸轉換負載慣性(JL)/伺服電機轉子慣性(JM)*100(%)速度回路積分時間參數(shù)：速度回路具有積分元

4、件，可以反應細微的輸入。此積分元件會延遲伺服系統(tǒng)的作業(yè)，因此，時間參數(shù)增加時，反應時間愈慢，所需的定位設定時間就愈長。負載慣性很大，或者機械系統(tǒng)很可能出現(xiàn)震動時，回路積分時間參數(shù)必須足夠大；否則機械系統(tǒng)將會震動。以下就是參考標準。Ti:積分時間參數(shù)sKv：速度回路增益（從上述計算）HZ轉矩指令濾波時間參數(shù)：機械系統(tǒng)在某些情況下可能會出現(xiàn)轉矩共振現(xiàn)象，產(chǎn)生尖銳聲調(diào)的振動噪音。增加轉矩指令過濾時間參數(shù)可停止此振動。但是此參數(shù)與積分時間參數(shù)一樣，都會對系統(tǒng)造成延遲現(xiàn)象。因此，不可將此參數(shù)的值設得太大。位置回路增益：伺服系統(tǒng)的反應由位置回路增益決定。位置回路增益設定為較高的值時，反應速度會增加，縮短定

5、位所需時間。若是要將位置回路增益設定為高值，機械系統(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變得不穩(wěn)定，以致整個伺服系統(tǒng)的反應可能會變得不穩(wěn)定。通?？蓞⒄障铝胁襟E對系統(tǒng)進行調(diào)整：a）將位置環(huán)增益即先設在較低值，然后在不產(chǎn)生異常響聲和振動的前提下，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，同時加大位置環(huán)增益。在整個響應無超調(diào)、無振動的前提下，將位置環(huán)增益設至最大。c）速度環(huán)積分時間常數(shù)取決于定位時間的長短，在機械系統(tǒng)不振動的前提下，盡量減小此值。d）隨后對位置環(huán)增益、速度環(huán)增益及積分時間常數(shù)進行微調(diào)，找到最佳值。實

6、際上現(xiàn)在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)都實現(xiàn)了自動調(diào)整相關參數(shù)，但是在機器調(diào)試階段中參考以上方法對系統(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)加入電流反饋內(nèi)環(huán)。 數(shù)字電流環(huán)一般包括A/D轉換、坐標變換、電流調(diào)節(jié)器和PWM發(fā)生器幾個部分。實際電機電流變化較快，數(shù)字電流環(huán)因其離散性而存在固有的時間滯后，因此，作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)應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則是其中一個重要參數(shù)。電流控制器參數(shù)的確定，必須考慮以下因素：（1）由于電流控制存在相位延遲，因此，當輸入三相正弦電流指令時，三相輸出電流在相位上將產(chǎn)生一定的滯后，同

7、時在幅值上也會有所下降，由于這兩個原因，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矩。為了克服這種影響，在對電流相位進行補償?shù)耐瑫r需要增大電流環(huán)的增益。（2）由于電流檢測器件的漂移誤差會引起轉速的波動，若提高電流控制器的增益，必然會放大漂移誤差，對轉速的控制精度產(chǎn)生不利的影響，故不能過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，也不宜過于增加電流控制器的增益。（4）電流環(huán)增益過大還會產(chǎn)生較大約轉矩脈動和磁場噪音。電流調(diào)節(jié)器的增益應滿足下列條件： 上式中，為PWM逆變器放大系數(shù)，為PWM逆變器開關的延時時間，為電流反饋濾波時間常數(shù)，為電流反饋增益，為電氣時間常數(shù)。在交流伺服系

8、統(tǒng)中，電流環(huán)的控制是影響交流伺服系統(tǒng)控制性能的關鍵。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，為防止上、下橋臂直通短路而加入的導通延時將妨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器和提高PWM載波頻率可作為提高電流控制環(huán)響應速度及提高閉環(huán)增益的有效措施。但通常的交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品中，電流環(huán)節(jié)相關參數(shù)在出廠時都設置好，避免用戶自行調(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)中極為重要的一個環(huán)節(jié)，其控制性

9、能是伺服性能的一個重要組成部分。從廣義上講，速度伺服控制應具有高精度、快響應的特性具體而言，反映為小的速度脈功率、快的頻率響應、寬的調(diào)速范圍等性能指標。一般應采用高分辨率、快響應且紋波小的速度檢測器，采用高性能電流檢測器和較高開關頻率的大功率電力電子器件。其性能指標主要有三點：（1）頻率響應為300Hz以上；（2）速度控制范圍為1：1000以上；（3）轉速不均勻度小于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速度和改善電流波形，以得到高精度的轉矩控制性能。因此，一方面需要減小三相永磁同步伺服電動機速度反電勢的正弦波形畸變以改善電動機空間磁場的分布；另一方由要減小電流檢

10、測的漂移誤差，并適當對該誤差加以補償。同時，采用高開關頻率的功率器件（如IGBT），提高電流的控制精度，減少引起轉矩脈動的低次諧波電流分量，降低轉速脈動。轉速反饋對轉速脈動產(chǎn)生影響的兩個因素，是轉速采樣時間引起的檢測滯后和轉速檢測的分辨率。其中若轉速檢測時間引起的滯后過大會惡化驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能，易使伺服驅(qū)動系統(tǒng)在由高速切換到低速運行時產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。而轉速檢測的靈敏度對伺服驅(qū)動系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行的平穩(wěn)性有著至關重要的作用。如果增大速度控制器比例增益，則能降低轉速脈動的變化量，提高伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬度，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行時的性能。但是在實際系統(tǒng)中，速度控制器比例增益不能過大，否則將引起整個伺服驅(qū)動

11、系統(tǒng)振蕩。因此，當負載對象的轉動慣量與電動機的轉動慣量之比增大以及負載的摩擦轉矩增大時，宜增大比例增益和積分增益，即增大積分時間常數(shù)。以滿足穩(wěn)定性的要求。而當負載對象的轉功慣量與電動機的轉動慣量之比減小以及負載的摩擦轉矩減小時宜減小積分時間常數(shù)和比例增益，保證低速運行時的速度控制精度。1.4 交流伺服系統(tǒng)位置控制特性及整定作為進給驅(qū)動用的交流伺服系統(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；另一方面穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差和動態(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：（1）位置環(huán)增益，位置環(huán)增益是交流伺服系統(tǒng)的基本指標之一，它與伺服電機以及機械負

12、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，但在輸入進給速度突變時，其輸出變化劇烈，機械負載要承受較大的沖擊。因此，必須設置自動升降速軟件處理或用編程措施來緩沖這種變化。當伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益相對較小時，調(diào)整起來比較方便，因為位置環(huán)增益小，侗服系統(tǒng)容易穩(wěn)定，對大負載對象，調(diào)整要簡單些。同時，低位置環(huán)增益的伺服系統(tǒng)頻帶較窄，對噪音不敏感。因此，作為伺服進給用時，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，進行輪廓加工時，會在軌跡上形成加工誤差。（2）動態(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

13、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)動態(tài)性能測試實驗在PC機下完成，配合上位軟件為平臺，以伺服測試軟件作為實驗波形測量的主要工具。實驗過程如下：位置控制模式下伺服調(diào)整的一般步驟：（1）調(diào)整位置環(huán)增益到一個恰當?shù)闹?。?）逐漸增加速度環(huán)增益至機器不產(chǎn)生異常響聲或震動。（3）逐漸增加位置環(huán)增益至機器不產(chǎn)生振動。（4）根據(jù)定位完成時間降低速度環(huán)積分時間常數(shù)。2.1 階躍響應部分（系統(tǒng)的響應性能） 階躍給定信號的產(chǎn)生（讓機器Y軸走直線）速度倍率100%（這時電機實際速度約1250rpm）MF速度設為

14、200mm/sec，ML速度設為100mm/sec加速度設為1000mm/sec2設定采樣時間為2000msPulse Reference Speed：Max 1500，Min 1500Feedback Speed: Max 1500，Min -1500 測量數(shù)據(jù)及分析1、 參考標準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)積分時間10ms該參數(shù)是在自動增益調(diào)整情況下獲得的，較為合適。在本文中該曲線被用來作為其他曲線好壞的參考依據(jù)。曲線中電機速度緊跟位置指令，無速度超調(diào)，且定位時間極短。2、 速度環(huán)積分過低的情況位置環(huán)增益130(1/s) 速度環(huán)增益227Hz速度環(huán)積分

15、時間4ms伺服控制器的速度回路必須具有快速的反應性。圖中速度曲線出現(xiàn)了波動，表明由于速度回路積分時間太短，破壞了速度回路的穩(wěn)定性，造成伺服電機速度的波動，運行極不平穩(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)積分時間100ms本曲線與標準曲線相比差異不太明顯。速度環(huán)積分對速度跟蹤位置指令的影響不是很大，但過大的速度環(huán)積分時間會延遲速度回路的反應時間。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)積分時間10ms本曲線中電機速度出現(xiàn)波動，與速度環(huán)積分時間太小的影響一樣，兩者必須保持協(xié)調(diào)。增大速度環(huán)增益的同時應該增加速度環(huán)積分時間，否則伺服

16、系統(tǒng)會振蕩。5、 速度環(huán)增益太低位置環(huán)增益130(1/s)速度環(huán)增益30HZ速度環(huán)積分時間10ms正如上面的分析一樣，速度環(huán)增益的降低會導致電機速度出現(xiàn)波動。比較速度增益過高的情形可知，本曲線中電機速度的波動頻率更低，這充分表明了速度環(huán)增益的提高使系統(tǒng)的工作頻率得到了提高，控制系統(tǒng)的快速響應性能好，能更有效地克服干擾作用的影響。6、 位置增益過低位置環(huán)增益50(1/s)速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時間10ms在伺服系統(tǒng)中，位置回路的工作頻率遠比速度回路要低。位置環(huán)增益過低時系統(tǒng)難以抵消在速度響應過程中造成的位置偏差，故導致電機速度跟隨位置指令時間間隔的延長。7、 位置增益過高位置環(huán)增益200

17、(1/s)速度環(huán)增益227HZ速度環(huán)積分時間10ms在位置伺服系統(tǒng)中，位置增益還影響穩(wěn)定性。該曲線中由于位置增益過高，使電機速度產(chǎn)生了波動。另外，對比位置增益過低的情形可知，該曲線中電機速度對于位置指令響應的純延時減少了。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)積分時間10ms在測量該曲線時，我們把位置增益調(diào)得很低，這時電機速度跟隨位置指令表現(xiàn)出了明顯的滯后，而且位置定位時間大大延長了。位置定位系統(tǒng)的高精度和高響應性能大受影響。9、階躍信號力矩的觀察本圖是對伺服系統(tǒng)直線運動中負載力矩的分析。曲線中紅線在電機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

18、。從中可知，在該系統(tǒng)中負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，系統(tǒng)在階躍信號作用下有可能超調(diào)，將嚴重破壞系統(tǒng)性能。如圖：2.2 正弦響應部分（系統(tǒng)動態(tài)性能） 正弦給定信號的產(chǎn)生（讓機器作圓弧運動）SIGMA WIN窗口中：采樣時間為5000msPulse Reference Speed：Max 1500，Min 1500Feedback Speed: Max 1500，Min 1500 測量數(shù)據(jù)及分析1、 標準測試參照曲線位置回路增益130（1/s） 速度回路增益227HZ 速度回路積分時間10ms該參數(shù)在自動增益調(diào)整情況下獲得，表現(xiàn)了較好的響應性能。本次測試中均以該曲線來作為比較分析的依據(jù)。該曲線表明系統(tǒng)在輪廓加工過程中可保持