文档介绍：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须高于最外环。假使未遵守此原则,将会造成震动或反应不良。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。
伺服系统方块图包括位置、速度以及电流回路,如图1所示。
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,必须先增加速度回路增益。如果只增加位置回路的增益,震动将会造成速度指令及定位时间增加,而非减少。
如果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,位置回路会继续累计偏差,增加速度指令。这样,电机速度会超过,位置回路会尝试减少速度指令输出量。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,就必须减少位置回路增益或增加速度回路增益,以防速度指令振动。
图2 速度指令
位置回路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。例如,机械系统若是连接机器人,由于机器的机械构造采用减低波动的齿轮,而机械系统的自然频率为10
~20Hz,因此其刚性很低。此时可将位置回路增益设定为10至20(1/s)。
如果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(1/s)或更高。
需要很快的反应时,不只是要确保采用的伺服系统(控制器、伺服驱动器、电机以及编码器)的反应,而且也必须确保机械系统具备高刚性。

速度回路增益主要用以决定速度回路的反应速度。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。如果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=电机轴转换负载惯性(JL)/伺服电机转子惯性(JM)*100(%)
速度回路积分时间参数:速度回路具有积分元件,可以反应细微的输入。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出现震动时,回路积分时间参数必须足够大;否则机械系统将会震动。以下就是参考标准。
Ti:积分时间参数[s]
Kv:速度回路增益(从上述计算)[HZ]
转矩指令滤波时间参数:机械系统在某些情况下可能会出现转矩共振现象,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,不可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增益决定。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须很高。
系统各参数之间总是相互制约的,如果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。
实际上现在数字伺服控制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一定的帮助。
电流控制器增益的整定
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、电流调节器和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节性能。而电流控制器的比例增益则是其中一个重要参数。
电流控制器参数的确定,必须考虑以下因素:
(1)由于电流控制存在相位延迟,因此,当输入三相正弦电流指令时,三相输出电流在相位上将产生一定的滞后,同时在幅值上也会有所下降,由于这两个原因,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,若提高电流控制器的增益,必然会放大漂移误差,对转速