【轉(zhuǎn)載】關于伺服驅(qū)動優(yōu)化的三個問答
1.1 概述
在控制理論的專業(yè)學習中，很少把重點放在工業(yè)現(xiàn)場的基礎性常見問題上, 過于專注先進控制理論的數(shù)學推導和研究, 而忽略了現(xiàn)場常用的傳統(tǒng)控制方法和基本調(diào)試步驟。而現(xiàn)場調(diào)試的工程師常常拋棄對理論的理解和掌握，放棄系統(tǒng)的分析，完全依賴于自己的經(jīng)驗采用試湊的方法進行調(diào)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(diào)試中的常見問題，幫助伺服工程師觀察和理解現(xiàn)場的實際現(xiàn)象，快速優(yōu)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(shù)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(shù)0.3會會顯得太大了，還是太小了呢？
相關信息
由電機驅(qū)動的機械系統(tǒng)可以通過所謂的雙質(zhì)點系統(tǒng)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。
圖 1?1 雙質(zhì)點系統(tǒng)
在頻域中，系統(tǒng)具有以下頻率響應：
圖 2-2速度控制系統(tǒng)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(tǒng)解耦。這意味著，控制系統(tǒng)不可能在高于零點頻率驅(qū)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(zhuǎn)動慣量更大。
對于理想的雙質(zhì)點系統(tǒng)，系統(tǒng)的總慣量可以通過鎖定轉(zhuǎn)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(jīng)解耦 – 對于控制系統(tǒng)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(tǒng)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(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)點系統(tǒng)的存在，系統(tǒng)會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，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(huán)設定值濾波器來消除極點，或者設置合適的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(huán)控制則受重力影響負載直接掉落。此時激活速度閉環(huán)，如果僅有比例控制生效，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？如果只有積分生效，則又會產(chǎn)生什么現(xiàn)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(yōu)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(fā)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(chǎn)生負面影響，會對負載側產(chǎn)生影響，因為控制器沒有完全抑制他們。
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(jīng)優(yōu)化后，再進行積分時間的優(yōu)化。
典型的目標是將比例增益系數(shù)設置得足夠高，以獲得機器動態(tài)要求，但同時保持控制環(huán)的穩(wěn)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(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(zhuǎn)動慣量與電機轉(zhuǎn)動慣量之比多少合適？
相關信息
慣量比是用于評估系統(tǒng)動態(tài)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：
2.電機的慣量越小，對于相同的負載從時域上看，超調(diào)的現(xiàn)象越嚴重：
3.電機不論慣量大小，在完成動態(tài)調(diào)整過程結束后，設定值和實際值趨于一致：
簡答
難以概括慣量比的通用的有效慣量比數(shù)值，因為根據(jù)電機連接剛度（轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jù)所需的負載周期，慣量比可以是 50：1，或者對于更低動態(tài)需求的應用中，甚至是 2000：1。
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