北成新控丨ABB&安川伺服控制環(huán)路的增益調(diào)整及慣量匹配的使用技巧

伺服驅(qū)動(dòng)器包括三個(gè)反饋環(huán)節(jié)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。最內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）的刷新速度最快，中間環(huán)節(jié)（速度環(huán)）的刷新速度高于最外環(huán)（位置環(huán)）的刷新速度。如果不遵守此設(shè)計(jì)原則，將會(huì)造成電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的震動(dòng)或反映不良。伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中要確保電流環(huán)具備良好的閉環(huán)刷新性能，提高伺服響應(yīng)特性，一般伺服系統(tǒng)允許用戶對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)的增益等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

速度環(huán)增益

增大速度環(huán)比例增益，則能降低轉(zhuǎn)速波動(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。在實(shí)際伺服系統(tǒng)中，速度環(huán)比例增益不能過大，否則將引起整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振蕩。

位置環(huán)增益

位置環(huán)增益與伺服電機(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，電機(jī)運(yùn)行定位對(duì)于位置指令響應(yīng)的延時(shí)減小，位置跟蹤誤差值越小，定位所需時(shí)間越短，要求對(duì)應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)的剛性與安裝精度也必須提高。而且當(dāng)輸入的位置指令突變時(shí)，電機(jī)輸出變化劇烈，機(jī)械負(fù)載部分要承受較大的沖擊力。

慣量計(jì)算、慣性匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量計(jì)算問題，需滿足以下條件：

1.在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等因素外，我們還需要計(jì)算負(fù)載部分的總慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇合適慣量的電機(jī);

2.在調(diào)試時(shí)正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提，特別是在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為重要。這樣，就有了慣量計(jì)算和匹配的問題!那到底什么是“慣量匹配”呢?

（1）根據(jù)牛頓第二定律：力矩T=負(fù)載軸總慣量J×角加速度θ

由于電機(jī)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的值變大即加速度快響應(yīng)好，則慣量J的值應(yīng)該盡量小。

（2）負(fù)載軸的總慣量J=伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量JM+負(fù)載慣量JL

以數(shù)控機(jī)床為例，負(fù)載慣量JL由工作臺(tái)及上面裝的夾具、工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。

慣量匹配有什么影響又如何確定呢?

1.傳動(dòng)及負(fù)載慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。

2.衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大，電機(jī)的負(fù)載也就越大，越難控制，機(jī)械系統(tǒng)部分的慣量需和電機(jī)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。例如，CNC數(shù)控系統(tǒng)通過伺服電機(jī)作高速切削時(shí)，當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí)，會(huì)發(fā)生：

(1)控制指令改變時(shí)，電機(jī)反饋速度滯后指令速度，跟隨偏差增加;
(2)電機(jī)反饋速度波動(dòng)加?。?/span>

一般日系伺服電機(jī)通常狀況下，
a.當(dāng)JL≦ 3xJM，電機(jī)的可控性好響應(yīng)高
b.當(dāng)JL>3xJM且JL<10×JM，電機(jī)的可控性會(huì)些微降低
c當(dāng)JL≧ 10×JM，電機(jī)的可控性會(huì)明顯下降

不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。

伺服控制時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)和異響時(shí)的處理方法

1.當(dāng)伺服電機(jī)在零速時(shí)發(fā)生抖動(dòng)和嘯叫，應(yīng)該是增益設(shè)高了，可減小增益值。如果啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)一下即報(bào)警停車了，最大可能是動(dòng)力線相序不正確。

2.伺服電機(jī)運(yùn)行定位中速度環(huán)和位置環(huán)問題引起的抖動(dòng)，位置環(huán)增益、速度環(huán)積分增益、速度環(huán)比例增益、加速度反饋增益等參數(shù)不當(dāng)。當(dāng)增益越大，速度越大，慣性力越大，偏差越小，越容易產(chǎn)生抖動(dòng)。設(shè)定合適的增益可維持速度響應(yīng)，不易產(chǎn)生抖動(dòng)且加工精度高，過小的增益會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)和加工定位精度。

3.負(fù)載慣量引起的抖動(dòng)，大直徑轉(zhuǎn)臺(tái)、帶輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)引起負(fù)載慣量增大。大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性影響很大，固定增益下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，剛性越大，越易引起電機(jī)抖動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，剛性越小，電機(jī)越不易抖動(dòng)?？赏ㄟ^更換較小直徑的帶輪、絲桿減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從而減小負(fù)載慣量來達(dá)到電機(jī)不抖動(dòng)。

4.機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的抖動(dòng)可分為兩種情況：

（1）電機(jī)空載抖動(dòng)：

a.電動(dòng)機(jī)安裝基礎(chǔ)不牢、剛度不夠或固定不緊。

b.電機(jī)軸彎曲或風(fēng)扇葉片損壞，破壞了轉(zhuǎn)子的機(jī)械平衡。

（2）電機(jī)加負(fù)載后抖動(dòng)，一般是電機(jī)軸受軸向力或徑向力影響，可檢查以下部位是否存在異常：

a.檢查同步帶輪或聯(lián)軸器是否有轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，有無(wú)反向間隙。

b.檢查聯(lián)軸器，絲桿、導(dǎo)軌等中心線和平行度，減小電機(jī)軸反作用力。

c.檢查同步帶或齒輪嚙合是否過緊，減小電機(jī)軸徑向力。

d.檢查機(jī)械部分（絲母，導(dǎo)軌）的潤(rùn)滑狀態(tài)，定期補(bǔ)充潤(rùn)滑油。

以上機(jī)械問題都需要機(jī)械進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，提高機(jī)械部分精度降低伺服系統(tǒng)的振動(dòng)和異響。

關(guān)于北成新控

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