伺服驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置與伺服驅(qū)動(dòng)器頻帶寬度測(cè)試

　　伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的基本要求

　　伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

　　1、調(diào)速范圍寬

　　2、定位精度高

　　3、有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

　　4、快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)

　　為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。

　　5、低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng)

　　一般來(lái)說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過(guò)載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載4～6倍而不損壞。

　　6、可靠性高

　　要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

　　對(duì)電機(jī)的要求

　　1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。

　　2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

　　3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

　　4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器原理

　　目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

　　隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來(lái)越多工控技術(shù)服務(wù)商對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

　　在自動(dòng)化設(shè)備中，經(jīng)常用到伺服電機(jī)，特別是位置控制，

　　大部分品牌的伺服電機(jī)都有位置控制功能，通過(guò)控制器發(fā)出脈沖來(lái)控制伺服電機(jī)運(yùn)行，

　　脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)的角度，脈沖頻率對(duì)應(yīng)速度（與電子齒輪設(shè)定有關(guān)），

　　當(dāng)一個(gè)新的系統(tǒng)，參數(shù)不能工作時(shí)，首先設(shè)定位置增益，確保電機(jī)無(wú)噪音情況下，盡量設(shè)大些，

　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比也非常重要，可通過(guò)自學(xué)習(xí)設(shè)定的數(shù)來(lái)參考，

　　然后設(shè)定速度增益和速度積分時(shí)間，確保在低速運(yùn)行時(shí)連續(xù)，位置精度受控即可。

　　1.位置比例增益：設(shè)定位置環(huán)調(diào)節(jié)器的比例增益。設(shè)置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會(huì)引起振蕩或超調(diào)。參數(shù)數(shù)值由具體的伺服系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載情況確定。

　　2.位置前饋增益：設(shè)定位置環(huán)的前饋增益。設(shè)定值越大時(shí)，表示在任何頻率的指令脈沖下，位置滯后量越小位置環(huán)的前饋增益大，控制系統(tǒng)的高速響應(yīng)特性提高，但會(huì)使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振蕩。不需要很高的響應(yīng)特性時(shí)，本參數(shù)通常設(shè)為0表示范圍：0~100%

　　3.速度比例增益：設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例增益。設(shè)置值越大，增益越高，剛度越大。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載值情況確定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。在系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的條件下，盡量設(shè)定較大的值。

　　4.速度積分時(shí)間常數(shù)：設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。設(shè)置值越小，積分速度越快。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載情況確定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。在系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的條件下，盡量設(shè)定較小的值。www.diangon.com

　　5.速度反饋濾波因子：設(shè)定速度反饋低通濾波器特性。數(shù)值越大，截止頻率越低，電機(jī)產(chǎn)生的噪音越小。如果負(fù)載慣量很大，可以適當(dāng)減小設(shè)定值。數(shù)值太大，造成響應(yīng)變慢，可能會(huì)引起振蕩。數(shù)值越小，截止頻率越高，速度反饋?lái)憫?yīng)越快。如果需要較高的速度響應(yīng)，可以適當(dāng)減小設(shè)定值。

　　6.最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置：設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制值。設(shè)置值是額定轉(zhuǎn)矩的百分比，任何時(shí)候，這個(gè)限制都有效定位完成范圍設(shè)定位置控制方式下定位完成脈沖范圍。本參數(shù)提供了位置控制方式下驅(qū)動(dòng)器判斷是否完成定位的依據(jù)，當(dāng)位置偏差計(jì)數(shù)器內(nèi)的剩余脈沖數(shù)小于或等于本參數(shù)設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器認(rèn)為定位已完成，到位開(kāi)關(guān)信號(hào)為 ON，否則為OFF。

　　在位置控制方式時(shí)，輸出位置定位完成信號(hào)，加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置值是表示電機(jī)從0~2000r/min的加速時(shí)間或從2000~0r/min的減速時(shí)間。加減速特性是線性的到達(dá)速度范圍設(shè)置到達(dá)速度在非位置控制方式下，如果伺服電機(jī)速度超過(guò)本設(shè)定值，則速度到達(dá)開(kāi)關(guān)信號(hào)為ON，否則為 OFF。在位置控制方式下，不用此參數(shù)。與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)。

　　7.手動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)

　　調(diào)整速度比例增益KVP值。當(dāng)伺服系統(tǒng)安裝完后，必須調(diào)整參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。首先調(diào)整速度比例增益KVP值．調(diào)整之前必須把積分增益KVI及微分增益KVD調(diào)整至零，然后將KVP值漸漸加大；同時(shí)觀察伺服電機(jī)停止時(shí)足否產(chǎn)生振蕩，并且以手動(dòng)方式調(diào)整KVP參數(shù)，觀察旋轉(zhuǎn)速度是否明顯忽快忽慢．KVP值加大到產(chǎn)生以上現(xiàn)象時(shí)，必須將KVP值往回調(diào)小，使振蕩消除、旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。此時(shí)的KVP值即初步確定的參數(shù)值。如有必要，經(jīng)KⅥ和KVD調(diào)整后，可再作反復(fù)修正以達(dá)到理想值。

　　調(diào)整積分增益KⅥ值。將積分增益KVI值漸漸加大，使積分效應(yīng)漸漸產(chǎn)生。由前述對(duì)積分控制的介紹可看出，KVP值配合積分效應(yīng)增加到臨界值后將產(chǎn)生振蕩而不穩(wěn)定，如同KVP值一樣，將KVI值往回調(diào)小，使振蕩消除、旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。此時(shí)的KVI值即初步確定的參數(shù)值。

　　調(diào)整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低超調(diào)量。因此，將KVD值漸漸加大可改善速度穩(wěn)定性。

　　調(diào)整位置比例增益KPP值。如果KPP值調(diào)整過(guò)大，伺服電機(jī)定位時(shí)將發(fā)生電機(jī)定位超調(diào)量過(guò)大，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。此時(shí)，必須調(diào)小KPP值，降低超調(diào)量及避開(kāi)不穩(wěn)定區(qū)；但也不能調(diào)整太小，使定位效率降低。因此，調(diào)整時(shí)應(yīng)小心配合。

　　8.自動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)

　　現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器均已微計(jì)算機(jī)化，大部分提供自動(dòng)增益調(diào)整（ autotuning）的功能，可應(yīng)付多數(shù)負(fù)載狀況。在參數(shù)調(diào)整時(shí)，可先使用自動(dòng)參數(shù)調(diào)整功能，必要時(shí)再手動(dòng)調(diào)整。

　　事實(shí)上，自動(dòng)增益調(diào)整也有選項(xiàng)設(shè)置，一般將控制響應(yīng)分為幾個(gè)等級(jí)，如高響應(yīng)、中響應(yīng)、低響應(yīng)，用戶可依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器頻帶寬度的測(cè)試

　　驅(qū)動(dòng)器輸入正弦波轉(zhuǎn)速指令，其幅值為額定轉(zhuǎn)速指令值的0.01倍，頻率由1Hz逐漸升高，記錄電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線，隨著指令正弦波頻率的提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波形曲線對(duì)指令正弦波曲線的相位滯后逐漸增大，而幅值逐漸減小。測(cè)取相位滯后增大至90°時(shí)的頻率作為90°相移的頻帶寬度；幅值減小至1/√2倍的頻率作為-3dB頻帶寬度，以先達(dá)到的條件為準(zhǔn)。

　　下文對(duì)該測(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)解釋，為了方便描述，將該標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱為《通用技術(shù)條件》。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)端子中，有1~2個(gè)模擬電壓信號(hào)指令輸入端子，用于轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩指令的外部輸入，在習(xí)慣上常稱為“伺服驅(qū)動(dòng)器的AD端口”。一般轉(zhuǎn)速指令為幅值±10V的正弦波信號(hào)。如圖1所示。

　　如果伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸入指令不設(shè)置閾值（電壓死區(qū)），理想情況下，+10V對(duì)應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的額定速度，-10V則對(duì)應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的額定速度，指令電壓幅值的變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之線性變化，如圖2所示。

　　《通用技術(shù)條件》：“驅(qū)動(dòng)器輸入正弦波轉(zhuǎn)速指令，其幅值為額定轉(zhuǎn)速指令值的0.01倍”。

　　假設(shè)轉(zhuǎn)速指令幅值為±10V，并且電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為6000RPM，即當(dāng)輸入幅值為0.1V的正弦波電壓信號(hào)，此時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為60RPM。

　　《通用技術(shù)條件》：“頻率由1Hz逐漸升高，記錄電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線”

　　正弦波頻率由1Hz逐漸升高，如圖3所示。

　　在該指令的控制下，伺服電機(jī)進(jìn)行以正向加速——正向減速——反向加速——反向減速四個(gè)運(yùn)動(dòng)為一個(gè)周期的動(dòng)作，正弦波指令信號(hào)在一定的頻率時(shí)，伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為60RPM，隨著指令正弦波頻率的提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波形曲線對(duì)指令正弦波曲線的相位滯后逐漸增大，而幅值逐漸減小。

　　《通用技術(shù)條件》：“測(cè)取相位滯后增大至90°時(shí)的頻率作為90°相移的頻帶寬度；幅值減小至1/√2倍的頻率作為-3dB頻帶寬度，以先達(dá)到的條件為準(zhǔn)。”

　　以幅值頻率曲線為例，如圖4所示。此時(shí)頻率f為伺服驅(qū)動(dòng)器的頻帶寬度。