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【轉(zhuǎn)載】關(guān)于伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的三個(gè)問答

作者: 發(fā)布時(shí)間:2022-12-12 14:18:22點(diǎn)擊:844 

1.1 概述

在控制理論的專業(yè)學(xué)習(xí)中,很少把重點(diǎn)放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)性常見問題上, 過于專注先進(jìn)控制理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和研究, 而忽略了現(xiàn)場(chǎng)常用的傳統(tǒng)控制方法和基本調(diào)試步驟。而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工程師常常拋棄對(duì)理論的理解和掌握,放棄系統(tǒng)的分析,完全依賴于自己的經(jīng)驗(yàn)采用試湊的方法進(jìn)行調(diào)試。


本文將理論知識(shí)和實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合,為大家例舉調(diào)試中的常見問題,幫助伺服工程師觀察和理解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際現(xiàn)象,快速優(yōu)化伺服控制器。


1.2

比例是大還是小?


問題一

使用一個(gè)電機(jī)A,不帶負(fù)載時(shí),如果設(shè)置比例增益參數(shù)為0.3。通過帶有一定的彈性機(jī)構(gòu)連接負(fù)載到該電機(jī)上,負(fù)載和電機(jī)的總慣量比空電機(jī)大,那么比例參數(shù)0.3會(huì)會(huì)顯得太大了,還是太小了呢?


相關(guān)信息

由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)可以通過所謂的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化描述。


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


640

圖 1?1 雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)


在頻域中,系統(tǒng)具有以下頻率響應(yīng):

640 (1)

圖 2-2速度控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)


兩個(gè)不同的頻率,可以觀測(cè)到耦合到電機(jī)的負(fù)載。

  • 零點(diǎn)

  • 極點(diǎn)

過了零點(diǎn)頻率,相關(guān)負(fù)載與電機(jī)/系統(tǒng)解耦。這意味著,控制系統(tǒng)不可能在高于零點(diǎn)頻率驅(qū)動(dòng)負(fù)載,從電機(jī)到負(fù)載的能量傳輸斷開。較低的線與較高的線相比,較低的級(jí)意味著的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大。


對(duì)于理想的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng),系統(tǒng)的總慣量可以通過鎖定轉(zhuǎn)子頻率(零點(diǎn))的左側(cè)讀取到。在共振頻率右側(cè),由于負(fù)載慣量已經(jīng)解耦 – 對(duì)于控制系統(tǒng)來說只有電機(jī)慣量可見。


零點(diǎn)表明在這個(gè)頻率上存在比當(dāng)前負(fù)載高的多的慣量。負(fù)載的運(yùn)動(dòng)非常消耗能量 - 它消除了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。


相反,極點(diǎn)表明似乎系統(tǒng)中存在非常小的慣量。在這種情況下,電機(jī)不必為了移動(dòng)負(fù)載使用那么多的能量 – 負(fù)載“推動(dòng)”電機(jī)。


簡(jiǎn)答

通常會(huì)認(rèn)為速度環(huán)的比例系統(tǒng)是正比于慣量大小的,但是由于彈性和雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的存在,系統(tǒng)會(huì)在特定頻率變得不穩(wěn)定。


由于耦合的彈性,出現(xiàn)諧振頻率時(shí),電機(jī)面對(duì)的慣量比電機(jī)本身慣量小得多。此時(shí)負(fù)載“推動(dòng)”電機(jī),因此則對(duì)應(yīng)的Kp太大了。


帶上負(fù)載后機(jī)械方面可以增加電機(jī)與負(fù)載的連接剛性,控制方面可以通過電流環(huán)設(shè)定值濾波器來消除極點(diǎn),或者設(shè)置合適的Kp來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。


1.3

速度環(huán)比例和積分對(duì)負(fù)載的作用?


問題二

將一個(gè)負(fù)載懸掛在電機(jī)軸的側(cè)面,如果不進(jìn)行閉環(huán)控制則受重力影響負(fù)載直接掉落。此時(shí)激活速度閉環(huán),如果僅有比例控制生效,會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢?如果只有積分生效,則又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢?


相關(guān)信息

速度控制器是PI控制器。比例對(duì)應(yīng)于與設(shè)定值有關(guān)的電機(jī)阻尼,積分器的積分時(shí)間就像一個(gè)彈簧。


速度控制器可以通過兩種策略進(jìn)行優(yōu)化:


  • 干擾最佳

高控制器增益。電機(jī)跟隨設(shè)定值效果非常好。電機(jī)側(cè)擾動(dòng)可以得到最佳補(bǔ)償,缺點(diǎn)是負(fù)載的連接剛度不足時(shí)容易震蕩。


如果連接剛度不足,電機(jī)側(cè)的編碼器“看不到”負(fù)載側(cè)發(fā)生的情況。


  • 阻尼最佳

控制器故意設(shè)置為弱,以便控制器作為“彈簧”而不是電機(jī):負(fù)載耦合振蕩。


但是,電機(jī)側(cè)的干擾(例如齒輪)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響,會(huì)對(duì)負(fù)載側(cè)產(chǎn)生影響,因?yàn)榭刂破鳑]有完全抑制他們。


優(yōu)化一般分兩步完成:


?比例增益優(yōu)化(Kp)

?積分時(shí)間優(yōu)化(Tn)


優(yōu)化速度控制器增益,PI控制器的積分環(huán)節(jié)必須停用。


通過設(shè)置Tn = 0或設(shè)置很長的積分時(shí)間來完成,例如1000ms。在速度控制器增益Kp已經(jīng)優(yōu)化后,再進(jìn)行積分時(shí)間的優(yōu)化。


典型的目標(biāo)是將比例增益系數(shù)設(shè)置得足夠高,以獲得機(jī)器動(dòng)態(tài)要求,但同時(shí)保持控制環(huán)的穩(wěn)定性。


簡(jiǎn)答

如果只有控制器的P部分有效,負(fù)載仍會(huì)下降向下,但如同在粘性液體中,下降會(huì)產(chǎn)生阻尼效果,更大Kp增加更多的阻尼效果。


只有積分部分,負(fù)載僅在停止前下降到某個(gè)角度。可以想象彈簧會(huì)受到壓縮,從而負(fù)載減速下降(當(dāng)彈簧力=重量的扭矩時(shí)達(dá)到靜止)。積分時(shí)間越短,負(fù)載越快停止。如果移除負(fù)載,電機(jī)會(huì)“彈回”到初始位置。

1.4

慣量比多少合適?


問題三

外部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比多少合適?


相關(guān)信息

慣量比是用于評(píng)估系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。


1.電機(jī)慣量越小,對(duì)于相同的負(fù)載從頻域角度看,導(dǎo)致震蕩的幅值增加:

640 (2)

2.電機(jī)的慣量越小,對(duì)于相同的負(fù)載從時(shí)域上看,超調(diào)的現(xiàn)象越嚴(yán)重:

640 (3)

3.電機(jī)不論慣量大小,在完成動(dòng)態(tài)調(diào)整過程結(jié)束后,設(shè)定值和實(shí)際值趨于一致:

640 (1)


簡(jiǎn)答

難以概括慣量比的通用的有效慣量比數(shù)值,因?yàn)楦鶕?jù)電機(jī)連接剛度(轉(zhuǎn)子和機(jī)器軸)和所需的負(fù)載周期(加速/減速)而不同,慣量比必須針對(duì)每個(gè)特定應(yīng)用而評(píng)估。


?在 機(jī)床加工設(shè)備中 適合的比值大約3 。 


?在 生產(chǎn)機(jī)器 領(lǐng)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(jìn)一步提高。根據(jù)所需的負(fù)載周期,慣量比可以是 50:1,或者對(duì)于更低動(dòng)態(tài)需求的應(yīng)用中,甚至是 2000:1。






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