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伺服系统控制包括哪些参数

伺服系统控制框架是由哪些部分组成的?
伺服系统控制包括哪些参数?

回帖(1)

王宁

2021-10-11 10:35:12





1. 位置环控制器
由于位置环包含速度环,根据先内环后外环顺序,应首先设置负载转动惯量比,再调整速度环增益、速度环积分时间常数,最后调整位置环增益。

位置环增益 K p 增加可提高位置环频宽,但受速度环频宽限制,想要提高位置环增益,必须先提高速度环频宽!
前馈能降低位置环控制的相位滞后,可减小位置控制时的位置跟踪误差以及更短的定位时间。前馈量增大,位置控制跟踪误差减小,但过大会使系统不稳定、产生超调。
2. 速度控制器

首先设置好负载转动惯量比,再调整速度环增益、速度环积分时间常数。
增加速度环增益 K v 可提高速度响应频宽,减小速度环积分时间常数 T i 可增加系统刚度、减小稳态误差。
3. 增益调整
驱动器包括电流环、速度环和位置环三个控制回路。理论上,内层控制回路频率一定要高于外层,否则整个控制系统会不稳定而造成振动或响应不佳,故三环频宽应满足:
电流环频宽>速度环频宽>位置环频宽


3.1 速度环增益 K v
速度环增益 K v 直接决定速度环的频响带宽。在机械系统不产生振动或噪音的前提下,增大速度环增益值,则速度响应会加快,对速度命令的跟随性越好,但过大的设置易引起机械共振。
速度环频宽计算公式为:

若负载转动惯量比G设置正确(G=J_L/J_M),则速度环频宽就等于速度环增益 K v
3.2 速度环积分时间常数 T i
速度环积分可有效的消除速度稳态误差,快速反应细微的速度变化。在机械系统不产生振动或是噪音的前提下,减小速度环积分时间常数 T i ,可增加系统刚性、降低稳态误差。若负载惯量比很大或机械系统存在共振因素,必须保证速度回路积分时间常数够大,否则机械系统容易产生共振。
如果负载转动惯量比G设置正确G=J_L/J_M),利用以下公式得到速度环积分时间常数 T i :

3.3 位置环增益 K p
位置环增益直接决定位置环的反应速度。在机械系统不产生振动或是噪音的前提下,增加位置环增益值,可加快反应速度、减小位置跟踪误差,缩短定位时间。但过大设定会造成机械系统抖动或定位超调。位置环频宽不可高于速度环频宽,一般:

若负载转动惯量比G设置正确(G=J_L/J_M),则位置环增益 K p 计算如下:


3.4 增益调整步骤
位置和速度频宽的选择必须由机械的刚性和应用场合决定,由皮带连接的输送机械刚性低,可设置为较低频宽;由减速器带动的滚珠丝杆的机械刚度中等,可设置为中等频宽;直接驱动滚珠丝杆或直线电机刚度高,可设置为高频宽。如果机械特性未知,可逐步加大增益以提高频宽直到共振,再调低增益即可。
对于伺服参数更改步骤,一般遵循如下原则:

速度控制增益调整步骤
设定负载转动惯量比。
设定速度环积分时间常数为较大值。
速度环增益在不产生振动和异常声音的范围内调大,如果发生振动稍许调小。
速度环积分时间常数在不产生振动的范围内调小,如果发生振动稍许调大。
如果因机械系统发生共振等原因而无法调大增益,不能得到希望的响应性时,对转矩低通滤波器或陷波器调整抑制共振后,然后重新进行以上步骤操作以提高响应性。首先使用转矩低通滤波器,若效果不好再考虑使用陷波器。
位置控制增益调整步骤
设定负载转动惯量比。
设定速度环积分时间常数为较大值。
速度环增益在不产生振动和异常声音的范围内调大,如果发生振动稍许调小。
速度环积分时间常数在不产生振动的范围内调小,如果发生振动稍许调大。
增大位置环增益,如果发生振动稍许调小。
如果因机械系统发生共振等原因而无法调大增益,不能得到希望的响应性时,对转矩低通滤波器或陷波器调整抑制共振后,然后重新进行以上步骤操作以提高响应性。首先使用转矩低通滤波器,若效果不好再考虑使用陷波器。
若需要更短的定位时间和更小的位置跟踪误差,可适当调整位置前馈。
4. 共振抑制
机械系统发生共振现象时,可能是由于伺服系统刚度过大、响应过快造成的,通过降低增益可能会得到改善。如果修改参数无法达到目的,可使用低通滤波器或陷波器。
具体共振抑制原理为:通过滤波器抑制机械响应的共振峰。

陷波器本质上也是一个滤波器,是带阻滤波器的一种特殊形式,由于其带阻宽度非常窄,故又被叫点阻滤波器。

4.1 低通滤波器
低通滤波器默认是有效的,低通滤波器对高频具有很好的衰减效果,能较好地抑制高频共振和噪声。例如使用滚珠丝杠机械,提高驱动器增益时,有时也会发生高频共振,使用低通滤波器有较好效果。但系统频响带宽和相位裕度也降低了,系统有可能变得不稳定。如果系统是中低频共振,低通滤波器无法抑制。
因伺服驱动而导致机器发生高频振动时,对转矩滤波器时间常数 T f 进行调整,可能会消除振动。数值越小,越能进行响应性良好的控制,但受机械条件限制;数值越大,越能抑制高频振动,太大则会造成相位裕度减小,引起振荡。
若负载转动惯量比G设置正确(G=J_L/J_M),需满足:

4.2 陷波器
两个陷波器可同时使用,能抑制两种不同频率共振。如果可知共振频率,那么陷波器可直接将共振量消除。通常如果确定共振频率,使用陷波器比低通滤波器效果要好;当共振频率不明时,可按从高到低的顺序逐渐降低抑制频率,振动最小点的抑制频率即为最优设定值。但如果共振频率随时间或其他因素偏移,且偏移过大时,则陷波器不再适合。
除了频率,还可调整陷波器深度、品质因数,但要注意设置合适。陷波深度深,机械共振的抑制效果可能就好,但会造成相位变化大,有时反而会加强振动。品质因数小,陷波宽度宽,机械共振抑制的效果可能很好,但会造成相位变化区域大,有时反而会加强振动。
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