【转载】关于伺服驱动优化的三个问答

1.1 概述

在控制理论的专业学习中，很少把重点放在工业现场的基础性常见问题上, 过于专注先进控制理论的数学推导和研究, 而忽略了现场常用的传统控制方法和基本调试步骤。而现场调试的工程师常常抛弃对理论的理解和掌握，放弃系统的分析，完全依赖于自己的经验采用试凑的方法进行调试。

本文将理论知识和实际的应用场景相结合，为大家例举调试中的常见问题，帮助伺服工程师观察和理解现场的实际现象，快速优化伺服控制器。

1.2

比例是大还是小？

问题一

使用一个电机A，不带负载时，如果设置比例增益参数为0.3。通过带有一定的弹性机构连接负载到该电机上，负载和电机的总惯量比空电机大，那么比例参数0.3会会显得太大了，还是太小了呢？

相关信息

由电机驱动的机械系统可以通过所谓的双质点系统进行简化描述。

这两个载荷之间的连接，即耦合，由刚度（c）和阻尼（d）来进行描述。



图 1‑1 双质点系统

在频域中，系统具有以下频率响应：



图 2-2速度控制系统频率响应

两个不同的频率，可以观测到耦合到电机的负载。

零点

极点

过了零点频率，相关负载与电机/系统解耦。这意味着，控制系统不可能在高于零点频率驱动负载，从电机到负载的能量传输断开。较低的线与较高的线相比，较低的级意味着的转动惯量更大。

对于理想的双质点系统，系统的总惯量可以通过锁定转子频率(零点)的左侧读取到。在共振频率右侧，由于负载惯量已经解耦 – 对于控制系统来说只有电机惯量可见。

零点表明在这个频率上存在比当前负载高的多的惯量。负载的运动非常消耗能量 - 它消除了电机的运动。

相反，极点表明似乎系统中存在非常小的惯量。在这种情况下，电机不必为了移动负载使用那么多的能量 – 负载“推动”电机。

简答

通常会认为速度环的比例系统是正比于惯量大小的，但是由于弹性和双质点系统的存在，系统会在特定频率变得不稳定。

由于耦合的弹性，出现谐振频率时，电机面对的惯量比电机本身惯量小得多。此时负载“推动”电机，因此则对应的Kp太大了。

带上负载后机械方面可以增加电机与负载的连接刚性，控制方面可以通过电流环设定值滤波器来消除极点，或者设置合适的Kp来保证系统的稳定。

1.3

速度环比例和积分对负载的作用？

问题二

将一个负载悬挂在电机轴的侧面，如果不进行闭环控制则受重力影响负载直接掉落。此时激活速度闭环，如果仅有比例控制生效，会产生什么现象呢？如果只有积分生效，则又会产生什么现象呢？

相关信息

速度控制器是PI控制器。比例对应于与设定值有关的电机阻尼，积分器的积分时间就像一个弹簧。

速度控制器可以通过两种策略进行优化：

干扰最佳

高控制器增益。电机跟随设定值效果非常好。电机侧扰动可以得到最佳补偿，缺点是负载的连接刚度不足时容易震荡。

如果连接刚度不足，电机侧的编码器“看不到”负载侧发生的情况。

阻尼最佳

控制器故意设置为弱，以便控制器作为“弹簧”而不是电机：负载耦合振荡。

但是，电机侧的干扰（例如齿轮）可能会产生负面影响，会对负载侧产生影响，因为控制器没有完全抑制他们。

优化一般分两步完成：

•比例增益优化（Kp）

•积分时间优化（Tn）

优化速度控制器增益，PI控制器的积分环节必须停用。

通过设置Tn = 0或设置很长的积分时间来完成，例如1000ms。在速度控制器增益Kp已经优化后，再进行积分时间的优化。

典型的目标是将比例增益系数设置得足够高，以获得机器动态要求，但同时保持控制环的稳定性。

简答

如果只有控制器的P部分有效，负载仍会下降向下，但如同在粘性液体中，下降会产生阻尼效果，更大Kp增加更多的阻尼效果。

只有积分部分，负载仅在停止前下降到某个角度。可以想象弹簧会受到压缩，从而负载减速下降（当弹簧力=重量的扭矩时达到静止）。积分时间越短，负载越快停止。如果移除负载，电机会“弹回”到初始位置。

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1.4

惯量比多少合适？

问题三

外部负载转动惯量与电机转动惯量之比多少合适？

相关信息

惯量比是用于评估系统动态特性的指标。

1.电机惯量越小，对于相同的负载从频域角度看，导致震荡的幅值增加：



2.电机的惯量越小，对于相同的负载从时域上看，超调的现象越严重：



3.电机不论惯量大小，在完成动态调整过程结束后，设定值和实际值趋于一致：



简答

难以概括惯量比的通用的有效惯量比数值，因为根据电机连接刚度（转子和机器轴）和所需的负载周期（加速/减速）而不同，惯量比必须针对每个特定应用而评估。

•在 机床加工设备中 适合的比值大约3 。

•在 生产机器 领域的限制往往可以增加。

•特别是在纯速度控制轴中，比例可以进一步提高。根据所需的负载周期，惯量比可以是 50：1，或者对于更低动态需求的应用中，甚至是 2000：1。