伺服運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)試方法研究

張明明 董佳文 吳德寶

摘 要 合理的參數(shù)設(shè)置是保證機(jī)床的加工精度、運(yùn)行平穩(wěn)性等基本性能的關(guān)鍵因素之一。本文主要是從伺服控制的基本原理出發(fā)，根據(jù)速度環(huán)增益設(shè)置、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置、位置環(huán)增益設(shè)置、位置環(huán)積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置的原則，探討相關(guān)的調(diào)試方法。

關(guān)鍵詞 伺服;控制器;調(diào)試

隨著微控制器的快速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)遍及各個(gè)領(lǐng)域，如： 電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化等。傳統(tǒng)控制器中，單軸控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器采用分立的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本高、通訊時(shí)延長(zhǎng)、靈活性差。因此，嵌入式單軸控制器應(yīng)運(yùn)而生，它將單軸控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起，解決了傳統(tǒng)控制器的缺陷; 嵌入式單軸控制器的出現(xiàn)也對(duì)調(diào)試工具提出了新的要求，在對(duì)指令進(jìn)行編輯編譯的同時(shí)，也需要滿足用戶的實(shí)時(shí)調(diào)試的需求。

伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器。伺服是跟能會(huì)響應(yīng)滯后，反而延長(zhǎng)定位時(shí)間，因此，當(dāng)增大位置環(huán)增益隨的意思，伺服電機(jī)是指電機(jī)依指令信號(hào)產(chǎn)生位置、速度或轉(zhuǎn)時(shí)，首先需提高速度環(huán)增益。矩的跟隨變化。小型交流伺服電機(jī)一般采用永磁同步電機(jī)作為2.1速度環(huán)增益設(shè)置動(dòng)力源。伺服驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)、紡織機(jī)械、包裝速度環(huán)增益是決定速度環(huán)響應(yīng)性的用戶常數(shù)。在機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的伺服不出現(xiàn)振動(dòng)的范圍內(nèi)，設(shè)定的值越大，響應(yīng)性越好。驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流，它可以通過(guò)復(fù)雜的算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化。通用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器依據(jù)控制信號(hào)模式，分為三種類型：位置伺服、速度伺服、轉(zhuǎn)矩伺服。其中最常用的為位置伺服控制。

1伺服控制的基本原理

隨著控制技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)加工精度和速度響應(yīng)的要求越來(lái)越高。對(duì)CNC發(fā)出的指令是否能快速響應(yīng)，是否能適應(yīng)不同的機(jī)械特性，是否能在追求性能的同時(shí)保證伺服控制的穩(wěn)定性，都是需要考慮的問(wèn)題。反饋控制指的是按照指令、比較、放大、作用、檢出，比較的過(guò)程反復(fù)進(jìn)行控制。

控制環(huán)是對(duì)輸入指令值與反饋值的差值（偏差），乘以增益再進(jìn)行輸出。整個(gè)控制部分由內(nèi)到外由三個(gè)反饋環(huán)組成（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），越是內(nèi)側(cè)的環(huán)，對(duì)響應(yīng)性要求越高。如果不遵守該原則，則會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)性變差或產(chǎn)生振動(dòng)，由于電流環(huán)廠家出廠時(shí)即保證了充分的響應(yīng)性，因此只需要針對(duì)位置環(huán)及速度環(huán)進(jìn)行調(diào)整[1]。

2伺服參數(shù)設(shè)置原則

一般說(shuō)來(lái)，伺服參數(shù)的調(diào)整涉及系統(tǒng)端位置環(huán)參數(shù)和伺服端速度環(huán)參數(shù)，位置環(huán)參數(shù)包括位置環(huán)增益和位置環(huán)積分時(shí)間常數(shù)，速度環(huán)參數(shù)包括速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)。在參數(shù)設(shè)置時(shí)，由于速度環(huán)的響應(yīng)性應(yīng)高于位置環(huán)的響應(yīng)性。

2.1 速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置

速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)可以使微小的輸入也能響應(yīng)。由于該積分因素對(duì)于伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)為延遲因素，因此時(shí)間常數(shù)過(guò)大時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)定位時(shí)間，使響應(yīng)性變差。但當(dāng)速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定過(guò)小，而機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載慣量較大時(shí)，機(jī)床容易產(chǎn)生振動(dòng)。

2.2 位置環(huán)增益設(shè)置

位置環(huán)增益很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性。位置環(huán)增益的設(shè)定值越大，則響應(yīng)性越高，定位時(shí)間越短。為提高響應(yīng)性，應(yīng)增大位置環(huán)增益，但如果僅提高位置環(huán)增益，作為伺服系統(tǒng)整體的響應(yīng)，容易產(chǎn)生振動(dòng)（位置環(huán)輸出的某些速度指令產(chǎn)生振動(dòng)），位置環(huán)增益設(shè)定應(yīng)考慮機(jī)械的剛性和固有振動(dòng)頻率。同時(shí)，如上所述，在增大位置環(huán)增益提高響應(yīng)性時(shí)，還應(yīng)注意相應(yīng)提高速度環(huán)增益。

2.3 位置環(huán)積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置

位置環(huán)積分時(shí)間常數(shù)決定位置環(huán)積分控制的響應(yīng)性，值越小，響應(yīng)越快，但是也越容易產(chǎn)生振動(dòng)。所以，在避免振動(dòng)的前提下應(yīng)盡可能減小位置環(huán)積分時(shí)間參數(shù)[2]。

3伺服參數(shù)設(shè)置實(shí)例

下面以德國(guó)路斯特伺服和電機(jī)為對(duì)象，在電機(jī)空載情況下，通過(guò)路斯特伺服調(diào)試軟件LTi Drive Manager，按照流程，對(duì)伺服各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，使伺服電機(jī)運(yùn)行達(dá)到較理想的狀態(tài)。

3.1 速度環(huán)調(diào)試

速度環(huán)參數(shù)設(shè)置包括速度環(huán)增益KP與速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)TN。每一組參數(shù)對(duì)應(yīng)一條速度響應(yīng)波形，波形橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分鐘。藍(lán)顏色線條表示指令輸出，綠顏色線條表示實(shí)際輸出。KP影響的是響應(yīng)和波形疏密度，TN影響的是響應(yīng)后的精確度，經(jīng)過(guò)輸出波形的反復(fù)對(duì)比，選擇參數(shù)KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms較為合適。圖4為KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms的輸出波形圖，此波形響應(yīng)快，且穩(wěn)定性好。

3.2 位置環(huán)調(diào)試

速度環(huán)參數(shù)設(shè)好以后，就可以開(kāi)始位置環(huán)參數(shù)的調(diào)試了。位置環(huán)參數(shù)設(shè)置包括位置環(huán)增益KP與位置環(huán)積分時(shí)間常數(shù)TN。位置環(huán)增益可以先設(shè)一個(gè)比較小的值，然后按1/2的倍數(shù)增加，直到位置誤差達(dá)到了最大值（空載）或是機(jī)床振動(dòng)明顯（帶負(fù)載），最后按1/3減小，調(diào)到理想的值（位置誤差小，跟隨快）。每一組參數(shù)對(duì)應(yīng)一幅波形。波形橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)左側(cè)表示命令值和實(shí)際執(zhí)行值，右側(cè)表示為命令值和實(shí)際執(zhí)行值之間的差值，單位為脈沖/轉(zhuǎn)。綠顏色線條表示命令輸出，藍(lán)顏色線條描繪實(shí)際位置值，紅顏色線條則顯示了命令值和實(shí)際執(zhí)行值之間的差值。經(jīng)過(guò)波形的比對(duì)，選擇參數(shù)KP=15000（1/min）、TN=0.15ms較為理想[3]。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服電機(jī)的調(diào)試與維護(hù)顯得越來(lái)越重要。本論文通過(guò)對(duì)路斯特伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)反復(fù)調(diào)試研究，積累了伺服調(diào)試的一些具體經(jīng)驗(yàn)，掌握了伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)整的基本原則以及必要參數(shù)，以及調(diào)整后的效果。伺服調(diào)試是一項(xiàng)實(shí)踐性的工作，需要不斷地在實(shí)踐中總結(jié)調(diào)試的方式方法，以便更好地為機(jī)床生產(chǎn)廠商及用戶服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶波，龔澤宇，丁漢.機(jī)器人無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服控制研究進(jìn)展[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，48（4）：767-783.

[2] 賈丙西，劉山，張凱祥，等.機(jī)器人視覺(jué)伺服研究進(jìn)展：視覺(jué)系統(tǒng)與控制策略[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，41（5）：861-873.

[3] 王軍政，趙江波，汪首坤.電液伺服技術(shù)的發(fā)展與展望[J].液壓與氣動(dòng)，2014，（5）：1-12.

作者簡(jiǎn)介

張明明（1982-），男，遼寧沈陽(yáng)人;畢業(yè)院校：武漢大學(xué)，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，工學(xué)學(xué)士，工程師，現(xiàn)就職單位：沈陽(yáng)和研科技有限公司，研究方向：電氣自動(dòng)化。