伺服系统的性能分析及其调整过程的研究.docx

伺JK系筑的性能分析及其过程的探讨伺服电机及其费动技术在我国还属于技术含IIH攵高的顺城，花机床、工业机器人、印刷机械、包装机械、果料机械和坊织机械等行业得到广泛的应用，个向服系统的构成通常包含被控对象(p1.ant),执行器(actuator)、限制器(con1.r。IIer)等几个怖分，机械手替、机械工作平台通常作为被控对敦.执行零的功能在于主要供同被掖对软的动力.可能以气味、油质、或是电力第动的方式呈现，若是采纳油压乐动方式.般称之为油压伺服系统.目前绝大多数的伺服系统采纳电力维动方式，执行器包含了电机与功率放大罂.将殊设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机(SerVomotor),通常内含位置反愫装吼如光电编码器(OP1.iCa1.encoder)»解角器(reso1.ver)，目前主暨应用于工业界的伺服电机包括直流何眼电机、永极沟通何限电机、与感应沟通何阳电机,其中又以水程沟通伺限电机占绝大多数.限制器的功能在于供应整个伺服系统的闭路限制,如扭矩限制、速度限出片位置限IM等.am般工业用伺服先动器(Serv。drive)通常包含了限制湍与功率放大器.图1所示为股工业用伺服系统组成框图.本文分析般工业用伺服系统的伺服性能及阐述加何对一个既定的向眼系统进行设整，使之达到最佳的伺服性能。图1一般工业用工服系统组成框图一、伺鼻系统的性能分析御量一个伺服娱统的性能主要从以下四个方面来分析:响应速度、刚度、稳定性以及抗噪音实力. 响应速度何服系统的响应速度描述(系统响应指令给定的快慢程俄，对大部分的何服系统选说追求较快的响陶速度.系统的增益过大,则响应速凌快.有助于提高系统的性能： 刚度伺服系统的刚度描述了系统抗扭矩干扰的实力，系统的刚度比较难Jffc1.it,这是由于系统的干扰往往难于量化，对于一个问服系统来说.高的刚度能够达到较好的何股性能I 程定性同股系统的桧定性描述了系统消退自振萌的带玳，任何个系统都必需有合适的也定裕家.伺眼系统的检定性般通过对方波信号响应的过冲H和振荡次数来衡状，向服增拉越高，系统的他定性将静低:抗噪音实力何服系统的抗噪ff实力描述了系统对噪音源的放大程度,噪音干扰会导致系统发热、振荡.扭矩波动和杂音等不良现象.何服增益越高,系统的抗噪音实力将越低.图2一图5所示为伺服娱统性能的对比分析.（八）快速响应图2向服系统速度环对方波的响应遑度对比（八）合玷的刚度图3何版系统速度环对方波响应时刚度性能的对比(b)刚度过小（八）系统稳定(b)系统不秘京图I何版系统速度坏对方波响应对初定性能的对比（八）抗噪音干扰良好啖音干扰产政图5何眼系统速度环中反饿电流精度的耐比二、伺服K蜕的调整过程探讨何股系统的调整主要是系统的各项限制熠益的调整，通过上述的分析，当增拄调整较而时，可以使得系统具月较快的响应速度,提高系统的刚度从而提高系统抗损矩干扰的实力"然而.另一个方面.过高的增紫将使得系统的稳定性和抗崂将实力下降.因此.何服系统的两值算实上是一个寸求系统各项性能的相互平恻并使整体性能最优的决策过程.本节中，以伺服系统速度环的调整为例,探讨箕调整过程,分析如何通过调整伺服系统的增枝来最优化系统的响应速度、刚度、桧定性以及抗噪音实力，从而得到系统的公佳性能.图6所示为伺服系统增益调整示意图。伺服增益增加图6伺服泰统增拄调整示意图1 .何服系统的速度环基本组成何股系统的调整过程中,速度环是段难询整的，一般何版系统的速度环如图7所示.速度指令来自于位置环.在调整过程中,通常以方波信号作为响应信号,这是由于方波信号的响陶对系统要求最为严格.反馈速嗖与指令速度通过比较环节进行比畿得到速度误差，股来说速度环的附制作用就是为了我小这种误差，比例枳分(PI)限肥案中的比例增拄通常是在高领时起作用，而枳分增拄通常是在中城时起作用，速度误差经过比例枳分黑制器后其输出为电流指令,伺服系统的电流环在探讨速度环的时候,通常把它当作速度环的一个环节，它的作用就是把电流指令状换成实际电流.此时有可能引起东统的稳定性问即.电机也作为速度环中的一个环节来探讨，此时电机模型可以荷化为KTJTOTAI.,其中KT把电击环输出的实际电流转换为扭矩信号，1/JTOTA1.再把扭矩信号转换为系统的加速度信号，系统的加速度经过积分作用得到速度信号，速度信号再次经过枳分环节得到系统的位W.信,系统的位置信号通过位置使感器来桧测.系统的逑度正比于系统位置的改变率,为提高伺服系统的抗噪白实力以及桧定性,通常在系统中加入遮波器,如图7所示.图7同版系统的速度环2 .伺服系统的调怅过程探讨伺服系统的同整主要是针对闭环限制零的增能进行WJ整.使得整个系统达到一个生优的I：作状态.其中速度环的调整是整个系统调整中最关键的,也是最难冏整的.通常，增益的调整是个一个地调整，首先了解伺服埴技的限制因素，然后调整速度坏的比例增益，接下来说整速度环的枳分增拄，时于每个增苴冬数的调整，都是从低涿渐他用加，确保系统程定，伺服系统比例增益的上限通常是由系统内郤的各个枇件本身确定的，驱动器本身的采样速率、浊波器特性、电流环特性甚至是按戌产生的噪音，这些都Ur能成为限制比例增拄的过高调整同时向限系统的反馈环节和机械传动情件也可能成为限制系统比例地酸的市要因素.图8为何眼系统调整过程示意图.图9为系统两整试验装置.图8向极系统调整过程示意伯图9系统调整试验装置伺服系统的调蛉过程可以用如图10所示的流程困.事先假定系统伺眼增拄的限定因素是固定的.然后积分增拄设为Q,比例增益从低以20%的增信率渐往上调整，同时监测系统的程定性，当系统产生过冲.返回到上一个设置值，假如系统有噪音干扰,可以通过增加混波零功能、提高反馈环节的辨别率或适当降低限制器的比例增益.增加逑波零功能有助于提高系统的抗噪音实力和响陶实力,但是也同时给系统带米了时延的间时.而导致系统不在定,因此只有在必要的状况Z才增想泄波黑功能.图H为系统增加泄波器功能调魁结果.图10向服系统的调整流程图KV-AOONofUtcfS)无泄波器功能KV=3000AJHzfi1.teranda200Hzfi1.ter(b)增加逑波器功能图I1.系统增加滤波器功能调整结果对比反馈环节的辨别率包拈位置鲫别率和速度辨别率.位置辨别率是位置传感器检测位置信号的及小增ffttf1.速度料别率可以表示为YRESm1.rnON=PRESO1.UTIsiTSAMI,1.E,比如，个伺服系统的位置传感器采纳2000PPR的编码器,采样猱率FSAMP1.E为4kHz,则系统的位置阱别率为8000CPi1.速度讲别率为30rhin.图12所示为系统提高辨别率的调整结果。图12条统提岛辨别率的调整结果对比三、结语近年来,伺服限制泰统无论是从应用或是理论探讨方面均渐成关注点.“伺服系统”指经由闭1.路限制方式达到个机械系统位置、速度、或加速度限制的系统.探讨伺服系统的性能着JR于它的响应速度、检定性、刚度以及抗噪音实力四个方面，然而这四个方面又相互冲突，因此要有必要通过甫定的流程和方法来指导系统的调整，使熬个系统运行于一个最优的状态.木文通过分析何极系统的性能，傀求于何服系统速收坏的询整,阐述r何眼系统留第的一般流程和方法.当然钱如缭要得到系统各方面性能的更加具体的信息则必须要借助于波物图(Bod。P1.ots)来进行系统的进一步调整.对于-般的何聚娱统应用领域来说.通过本文所介绍的方法和流程进行系统的谓整完全可以达到要求.台达伺JK系统在机械手上的运动稳定性调试作希发布时间：2O1(MHO718:36:49米泡：中达电刈股份行跟公司箔一访问故：81用言成型机专用机械手在市场1.根据里幼类生主要分为两种类电：种电气动元件胆助比较单的的作帐速.点.对点的运动眠制的低端的机械手I另种St是须要采纳网性健何服系统作为驱动元件的高速粕现定位而性版机械191«成里机专用机械手在市场上根据必动类里主要分为两种类型：一种是气动元件总动比较单纯的作低速点对点的运动限制的低端的机械手：另一种就是须要采纳高性能何眼系统作为驱动元件的高速精确定位高性能机械F.本文论述的是其次种机电伺服取制机械手，机械手基于台达伺服系统技术，伺眼系统在机械手上的应用有许多与收伺服应用场合的不同之处，比较客户运用的是某日系系列伺服系统,台达伺服通过合理的设计能终达到史高的性能指标.同时又能降低客户的成本.提高其产品的性价比.2台达伺服系统应用设计2.1 工艺要求机械手的工名要求何服在带动机头作定位运行的过程中运行要平稳滑,顺.何眼的运行速度将确定机枪手的工作效率是否能够满逝客户的应用要求.在庙速定位的时伺服电机不能出现过冲，靛荡以及整定时间过长，以上的要求全都是在负我惯比接近70的条件下实现的。离性能伺服系统作为飘动元件的高速精确定位高性能成型机械手参见图1.图1高精度伺服限制成型机械手2.2 何服系统本项目机械手是单轴结构的机械F,基本的硬件花就分为限制部分和动部分.(1)限制器，限制器由单片机开发而成的手持式限制系统，采纳模拟依限制伺服.驱动器(2)曲动器,台达ASD-A04211.A向服限动器+ECMA-C3O6O4O2ES伺眼电机，也就是台达何版的ASD-A的驱动潺缝动和ASD-B的电机的A+B的配置.(3,传动结构，伺服与负我之间的传动结构是采纳5：1减速机利T型齿型钢丝PU皮书传动。图2何鼠限制系统根图3伺JK运动和定性,试提试首先运用台达调试软件估测出负载惯量比为68.6.在这样的惯量状况下要实现何眼的高速响应，必须要提高伺服增益以保证伺服的限制机能，但是在将增益园整到肯定的高度以后就必定会出现机械共振，至于通过FFT软件抓取了机械共振点在189HZ的频率旁边，所以，设定了陷波沌波器的顼率为189HZ和衰犍率为4db以后,可以将同果的速度限制增费调高到5000rads以上.但是在这样的增益下，电机运行特性仍旧很不好，电机在定位时出现反复熊荡，不能快速定位，只能接着拉高速度限制增益，但是在增X速度限制增益的时候，由于电流饱和而使电机又出现了振动,在这样的状况下只旎符共振低通流波和外部干扰反抗增益降低.这样就把速度限制增釜提高到7000rads以上.伺服可以快速而精确的定位，不再反登徙薪.图3、图4两条曲线条由ASOA伺服调试软件抓取得实时曲线,在这样的运行状况，伺服的运行并不平稳,何服的运行状况是在加速时电机会出现高速加速.何眼以160OrPm速度运行，在运行到中间时伺服会出现个明显加速过程，伺服的运行速度在100Orpm左右，这样的运行状况是无法满竟客户的要求的。图3限制器速度吩附曲戏1图4电机运行速度曲线1通过视察两条曲线（限制器速度吩咐曲线1和电机运行速位曲跋1）可以发觉，伺服电机几乎是完全根据上位机速度运行吩咐在运动的，可是，为什么会出现这种加减速过程呢？通过与其他工程师沟通和共同探讨.发觉由于负载惯技过大，造成何服速度响应不终快,使得速度误差过大，所以伺服在不断的针对速度误差进行积分整定，而该机械手限制器在作位徨限制的时候接受伺服编码器信号作积分整定的积分环节时，限制潞在采集到伺眼编码型号以后对位置误差的枳分整定特别缓慢从而造成吩咐处理速度过慢，而使速度吩咐出现波动也同时使伺服电机运行不平稳滑顺.针对这种现象将伺服的速度积分补偿调至0,使伺服驱动涔对于速度误差不进行枳分整定，而使得电机运行平稳，同时由于上位机作位置限制，使褥伺服电机定位并没行明显的影响.降低速度积分补偿多数以后发觉曲戏明显改变，电机运行也相对平滑多了，图5这是用伺服示波器抓取的波形。限于篇帕略号向服相关参数列衣。R*19J17口eIim-WH×f.HJ*jf1.TOT-1er(Settn»*I*-i*-AutoHO.nct图5限制吩咐与电机速度曲戏24结束语台达ASD-A伺服运行效果，在极限测试肘可以完全超过日系某名牌伺服系统的运行效果.最高速度可以达到280OrPm,定位的整定时间在80ms以内.整个180Omm行程内从启动加速到中间平稳运行到快速定位，整个过程及机头保持高速而又运动平稳，伺限电机运行柩定滑股.A