ABB&安川伺服控制環(huán)路的增益調整及慣量匹配的使用技巧

時間：2023-09-14

伺服驅動器包括三個反饋環(huán)節(jié)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。內環(huán)（電流環(huán)）的刷新速度快，中間環(huán)節(jié)（速度環(huán)）的刷新速度**外環(huán)（位置環(huán)）的刷新速度。如果不遵守此設計原則，將會造成電機運轉的震動或反映不良。伺服驅動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(tǒng)允許用戶對位置環(huán)、速度環(huán)的增益等參數(shù)進行調整。

速度環(huán)增益

增大速度環(huán)比例增益，則能降低轉速波動的變化量，提高伺服驅動系統(tǒng)的硬度，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行時的性能。在實際伺服系統(tǒng)中，速度環(huán)比例增益不能過大，否則將引起整個伺服驅動系統(tǒng)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密切的聯(lián)系，通常伺服系統(tǒng)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減小，位置跟蹤誤差值越小，定位所需時間越短，要求對應的機械系統(tǒng)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，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(tǒng)選型及調試中，常會碰到慣量計算問題，需滿足以下條件：

1.在伺服系統(tǒng)選型時，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(jù)機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇合適慣量的電機;

2.在調試時正確設定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)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，就有了慣量計算和匹配的問題!那到底什么是“慣量匹配”呢?

（1）根據(jù)牛頓*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(shù)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)軸器等直線和旋動件的慣量組成。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.傳動及負載慣量對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及動態(tài)響應都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢，會使系統(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速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小慣量。

2.衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(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(tǒng)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(xiàn)。例如，CNC數(shù)控系統(tǒng)通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發(fā)生：

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

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，電機的可控性會些微降低
c當JL ≧ 10×JM，電機的可控性會明顯下降

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質量要求來確定。

伺服控制時產(chǎn)生抖動和異響時的處理方法

1.當伺服電機在零速時發(fā)生抖動和嘯叫，應該是增益設高了，可減小增益值。如果啟動時抖動一下即報警停車了，大可能是動力線相序不正確。

2.伺服電機運行定位中速度環(huán)和位置環(huán)問題引起的抖動，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。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。設定合適的增益可維持速度響應，不易產(chǎn)生抖動且加工精度高，過小的增益會降低系統(tǒng)響應和加工定位精度。

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

4.機械結構引起的抖動可分為兩種情況：

（1）電機空載抖動：

a.電動機安裝基礎不牢、剛度不夠或固定不緊。

b.電機軸彎曲或風扇葉片損壞，破壞了轉子的機械平衡。

（2）電機加負載后抖動，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)軸器是否有轉動不平衡，有無反向間隙。

b.檢查聯(lián)軸器，絲桿、導軌等中心線和平行度，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。

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

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