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【转载】关于伺服驱动优化的三个问答

作者: 发布时间:2022-12-12 14:18:22点击:546 

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。


640

图 1‑1 双质点系统


在频域中,系统具有以下频率响应:

640 (1)

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。

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:

640 (2)

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:

640 (3)

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:

640 (1)


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。






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