伺服控制環(huán)路的增益調整及慣量匹配的使用技巧

伺服驅動(dòng)器包括三個(gè)反饋環(huán)節：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。最內環(huán)（電流環(huán)）的刷新速度最快，中間環(huán)節（速度環(huán)）的刷新速度高于最外環(huán)（位置環(huán)）的刷新速度。如果不遵守此設計原則，將會(huì )造成電機運轉的震動(dòng)或反映不良。伺服驅動(dòng)器的設計中要確保電流環(huán)具備良好的閉環(huán)刷新性能，提高伺服響應特性，一般伺服系統允許用戶(hù)對位置環(huán)、速度環(huán)的增益等參數進(jìn)行調整。

速度環(huán)增益

      增大速度環(huán)比例增益，則能降低轉速波動(dòng)的變化量，提高伺服驅動(dòng)系統的硬度，保證系統穩態(tài)及瞬態(tài)運行時(shí)的性能。在實(shí)際伺服系統中，速度環(huán)比例增益不能過(guò)大，否則將引起整個(gè)伺服驅動(dòng)系統振蕩。

位置環(huán)增益

       位置環(huán)增益與伺服電機以及機械負載有著(zhù)密切的聯(lián)系，通常伺服系統的位置環(huán)增益越高，電機運行定位對于位置指令響應的延時(shí)減小，位置跟蹤誤差值越小，定位所需時(shí)間越短，要求對應的機械系統的剛性與安裝精度也必須提高。而且當輸入的位置指令突變時(shí)，電機輸出變化劇烈，機械負載部分要承受較大的沖擊力。

慣量計算、慣性匹配

在伺服系統選型及調試中，常會(huì )碰到慣量計算問(wèn)題，需滿(mǎn)足以下條件：　　

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

2.在調試時(shí)正確設定慣量比參數是充分發(fā)揮機械及伺服系統最佳效能的前提，特別是在要求高速高精度的系統上表現尤為重要。這樣，就有了慣量計算和匹配的問(wèn)題!那到底什么是“慣量匹配”呢?

（1）根據牛頓第二定律：力矩T=負載軸總慣量J×角加速度θ

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

（2）負載軸的總慣量J=伺服電機的轉子慣量JM+負載慣量JL

以數控機床為例，負載慣量JL由工作臺及上面裝的夾具、工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線(xiàn)和旋轉運動(dòng)件的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。

慣量匹配有什么影響又如何確定呢?

1.傳動(dòng)及負載慣量對伺服系統的精度、穩定性及動(dòng)態(tài)響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會(huì )使系統的固有頻率下降，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速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機械設計時(shí)在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。

2.衡量機械系統的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統的動(dòng)態(tài)特性反應越好;慣量越大，電機的負載也就越大，越難控制，機械系統部分的慣量需和電機慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。例如，CNC數控系統通過(guò)伺服電機作高速切削時(shí)，當負載慣量增加時(shí)，會(huì )發(fā)生：  

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

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

　　不同的機構動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對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機械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來(lái)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.     當伺服電機在零速時(shí)發(fā)生抖動(dòng)和嘯叫，應該是增益設高了，可減小增益值。如果啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)一下即報警停車(chē)了，最大可能是動(dòng)力線(xiàn)相序不正確。

2.     伺服電機運行定位中速度環(huán)和位置環(huán)問(wèn)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不當。當增益越大，速度越大，慣性力越大，偏差越小，越容易產(chǎn)生抖動(dòng)。設定合適的增益可維持速度響應，不易產(chǎn)生抖動(dòng)且加工精度高，過(guò)小的增益會(huì )降低系統響應和加工定位精度。

3.     負載慣量引起的抖動(dòng)，大直徑轉臺、帶輪等機械結構引起負載慣量增大。大轉動(dòng)慣量對伺服電機傳動(dòng)系統的剛性影響很大，固定增益下，轉動(dòng)慣量越大，剛性越大，越易引起電機抖動(dòng)；轉動(dòng)慣量越小，剛性越小，電機越不易抖動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)更換較小直徑的帶輪、絲桿減小轉動(dòng)慣量從而減小負載慣量來(lái)達到電機不抖動(dòng)。

4.     機械結構引起的抖動(dòng)可分為兩種情況：

（1）電機空載抖動(dòng)：

a. 電動(dòng)機安裝基礎不牢、剛度不夠或固定不緊。

b. 電機軸彎曲或風(fēng)扇葉片損壞，破壞了轉子的機械平衡。

（2）電機加負載后抖動(dòng)，一般是電機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)軸器是否有轉動(dòng)不平衡，有無(wú)反向間隙。

b. 檢查聯(lián)軸器，絲桿、導軌等中心線(xiàn)和平行度，減小電機軸反作用力。

c. 檢查同步帶或齒輪嚙合是否過(guò)緊，減小電機軸徑向力。

d.檢查機械部分（絲母，導軌）的潤滑狀態(tài)，定期補充潤滑油。

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