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        【轉載】關于伺服驅動優化的三個問答

        作者: 發布時間:2022-12-12 14:18:22點擊:623 

        1.1 概述

        在控制理論的專業學習中,很少把重點放在工業現場的基礎性常見問題上, 過于專注先進控制理論的數學推導和研究, 而忽略了現場常用的傳統控制方法和基本調試步驟。而現場調試的工程師常常拋棄對理論的理解和掌握,放棄系統的分析,完全依賴于自己的經驗采用試湊的方法進行調試。


        本文將理論知識和實際的應用場景相結合,為大家例舉調試中的常見問題,幫助伺服工程師觀察和理解現場的實際現象,快速優化伺服控制器。


        1.2

        比例是大還是???


        問題一

        使用一個電機A,不帶負載時,如果設置比例增益參數為0.3。通過帶有一定的彈性機構連接負載到該電機上,負載和電機的總慣量比空電機大,那么比例參數0.3會會顯得太大了,還是太小了呢?


        相關信息

        由電機驅動的機械系統可以通過所謂的雙質點系統進行簡化描述。


        這兩個載荷之間的連接,即耦合,由剛度(c)和阻尼(d)來進行描述。


        640

        圖 1?1 雙質點系統


        在頻域中,系統具有以下頻率響應:

        640 (1)

        圖 2-2速度控制系統頻率響應


        兩個不同的頻率,可以觀測到耦合到電機的負載。

        • 零點

        • 極點

        過了零點頻率,相關負載與電機/系統解耦。這意味著,控制系統不可能在高于零點頻率驅動負載,從電機到負載的能量傳輸斷開。較低的線與較高的線相比,較低的級意味著的轉動慣量更大。


        對于理想的雙質點系統,系統的總慣量可以通過鎖定轉子頻率(零點)的左側讀取到。在共振頻率右側,由于負載慣量已經解耦 – 對于控制系統來說只有電機慣量可見。


        零點表明在這個頻率上存在比當前負載高的多的慣量。負載的運動非常消耗能量 - 它消除了電機的運動。


        相反,極點表明似乎系統中存在非常小的慣量。在這種情況下,電機不必為了移動負載使用那么多的能量 – 負載“推動”電機。


        簡答

        通常會認為速度環的比例系統是正比于慣量大小的,但是由于彈性和雙質點系統的存在,系統會在特定頻率變得不穩定。


        由于耦合的彈性,出現諧振頻率時,電機面對的慣量比電機本身慣量小得多。此時負載“推動”電機,因此則對應的Kp太大了。


        帶上負載后機械方面可以增加電機與負載的連接剛性,控制方面可以通過電流環設定值濾波器來消除極點,或者設置合適的Kp來保證系統的穩定。


        1.3

        速度環比例和積分對負載的作用?


        問題二

        將一個負載懸掛在電機軸的側面,如果不進行閉環控制則受重力影響負載直接掉落。此時激活速度閉環,如果僅有比例控制生效,會產生什么現象呢?如果只有積分生效,則又會產生什么現象呢?


        相關信息

        速度控制器是PI控制器。比例對應于與設定值有關的電機阻尼,積分器的積分時間就像一個彈簧。


        速度控制器可以通過兩種策略進行優化:


        • 干擾最佳

        高控制器增益。電機跟隨設定值效果非常好。電機側擾動可以得到最佳補償,缺點是負載的連接剛度不足時容易震蕩。


        如果連接剛度不足,電機側的編碼器“看不到”負載側發生的情況。


        • 阻尼最佳

        控制器故意設置為弱,以便控制器作為“彈簧”而不是電機:負載耦合振蕩。


        但是,電機側的干擾(例如齒輪)可能會產生負面影響,會對負載側產生影響,因為控制器沒有完全抑制他們。


        優化一般分兩步完成:


        ?比例增益優化(Kp)

        ?積分時間優化(Tn)


        優化速度控制器增益,PI控制器的積分環節必須停用。


        通過設置Tn = 0或設置很長的積分時間來完成,例如1000ms。在速度控制器增益Kp已經優化后,再進行積分時間的優化。


        典型的目標是將比例增益系數設置得足夠高,以獲得機器動態要求,但同時保持控制環的穩定性。


        簡答

        如果只有控制器的P部分有效,負載仍會下降向下,但如同在粘性液體中,下降會產生阻尼效果,更大Kp增加更多的阻尼效果。


        只有積分部分,負載僅在停止前下降到某個角度??梢韵胂髲椈蓵艿綁嚎s,從而負載減速下降(當彈簧力=重量的扭矩時達到靜止)。積分時間越短,負載越快停止。如果移除負載,電機會“彈回”到初始位置。

        1.4

        慣量比多少合適?


        問題三

        外部負載轉動慣量與電機轉動慣量之比多少合適?


        相關信息

        慣量比是用于評估系統動態特性的指標。


        1.電機慣量越小,對于相同的負載從頻域角度看,導致震蕩的幅值增加:

        640 (2)

        2.電機的慣量越小,對于相同的負載從時域上看,超調的現象越嚴重:

        640 (3)

        3.電機不論慣量大小,在完成動態調整過程結束后,設定值和實際值趨于一致:

        640 (1)


        簡答

        難以概括慣量比的通用的有效慣量比數值,因為根據電機連接剛度(轉子和機器軸)和所需的負載周期(加速/減速)而不同,慣量比必須針對每個特定應用而評估。


        ?在 機床加工設備中 適合的比值大約3 。 


        ?在 生產機器 領域的限制往往可以增加。


        ?特別是在純速度控制軸中,比例可以進一步提高。根據所需的負載周期,慣量比可以是 50:1,或者對于更低動態需求的應用中,甚至是 2000:1。






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