伺服驅動器增益調整原理及應用經驗

伺服驅動器應用于要求精度高、定位快的場合，在簡單的調整剛性和慣量比無法滿足現場要求時，該如何對伺服進行增益調整？ 總結多種應用實例，從伺服控制本質的三環控制、三環帶寬的關系、增益參數調試步驟、各增益參數原理以及對伺服運行的影響、常用濾波器等方面介紹伺服增益調整原理與應用經驗。

伺服驅動器由電流控制環，速度控制環和位置控制環三個環路組成，控制框圖如下：

層的帶寬一定大于外層的帶寬，否則整個控制系統為不穩定系統，會造成系統震蕩。所以，以上三個環路的帶寬關系為：

位置和速度帶寬的選擇是否合適是由機械的剛性和現場應用場合決定的，一般的應用場合，調整慣量比和剛性即可達到現場的響應和定位要求。

由皮帶、鏈條或帶波動齒輪減速機連接的機械負載剛性較低，可設置為較低帶寬，剛性一般大致為7~10，例如：多關節機器人等；

直接驅動滾珠絲杠的機械負載剛性較高，可設置為較大帶寬，剛性一般大致為14~17，例如：機床、貼片機等進行高精度加工機械；

由減速機帶動的滾珠絲杠的機械負載剛性中等，可設置為中等帶寬，剛性一般大致為11~14，例如：一般工作機、搬運機械等；

如果慣量比和剛性調整后，依然無法達到現場的應用要求，需要對位置環和速度環的參數一一進行微調時，但需要注意的是，如果改變其中一個參數，則其他參數也需要重新調整，請不要對某一個參數做較大額的更改。一般可遵循以下步驟：

交流伺服驅動器及電機

位置控制的增益調整步驟如下：

1、 設定合適的轉動慣量比；

2、 設定速度環積分時間常數為較大值；

3、 加大速度環增益，如果機械振動，稍許調??；

4、 減小速度環積分時間常數，如果機械振動，稍許調大；

5、 增大位置環增益，如果機械振動，稍許調??；

6、 如果因為機械系統發生共振而無法加大增益，進而無法得到應有的伺服應用要求，可以對轉矩低通濾波器或陷波器調整抑制機械系統共振；然后重新操作以上步驟以提高伺服性。建議首先使用轉矩低通濾波器，若轉矩低通濾波器效果不好再考慮陷波器；

7、 若需要更短的定位時間和更小的位置跟蹤誤差，可適當增加速度前饋，即速度前饋增益，但不宜超過80%；

速度控制的增益調整步驟如下：

1、設定合適的轉動慣量比；

2、設定速度環積分時間常數為較大值；

3、加大速度環增益，如果機械振動，稍許調??；

4、減小速度環積分時間常數，如果機械振動，稍許調大；

5、如果因為機械系統發生共振而無法加大增益，進而無法得到應有的伺服應用要求，可以對轉矩低通濾波器或陷波器調整抑制機械系統共振；然后重新操作以上步驟以提高伺服性。建議首先使用轉矩低通濾波器，若轉矩低通濾波器效果不好再考慮陷波器；

速度環增益：

速度環增益直接決定了速度環的響應帶寬。在機械系統不產生共振或噪音的情況下，增大速度環增益，速度響應會越快，對速度的跟隨性越好。但過大的速度環增益會引起機械共振。

速度環帶寬(Hz) = （1+G）/（1+JL/JM）*速度環增益(Hz)

其中：G為轉動慣量比，JL為折算到電機軸的負載轉動慣量，JM為電機轉子轉動慣量。當設定值G=JL/JM時，速度環增益即為速度環帶寬。

速度環積分時間常數：

速度環積分時間常數可以有效的消除速度穩態誤差，快速反應細微的速度變化。在機械系統不產生共振或噪音的情況下，減小速度環積分時間常數，可以增加系統剛性，降低穩態誤差。如果負載慣量比很大或機械系統存在共振因素，必須加大速度環積分時間常數，減小積分的作用，否則機械系統容易發生共振。如果慣量比參數G設置為JL/JM的情況下，速度環積分時間常數為：

速度環積分時間常數(ms) = 4000/（2*pi*速度環增益(Hz)）其中：pi為圓周率。

位置環增益：

位置環增益直接決定了位置環的反應速度。在機械系統不產生共振或噪音的情況下，增加位置環增益，減小位置跟蹤誤差，縮短定位時間。但過大的位置環增益也會造成機械系統抖動或定位超調。位置環帶寬不可高于速度環帶寬，如下：

位置環帶寬(Hz) <= 速度環帶寬(Hz)/4

如果慣量比參數G設置為JL/JM，位置環增益可以計算：

位置環增益(1/s) <= 2*pi*速度環增益(Hz)/4