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伺服系統(tǒng)的性能分析及其調(diào)整過程的研究
伺服電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)在我國還屬于技術(shù)含量較高的領(lǐng)域，在機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、塑料機(jī)械和紡織機(jī)械等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。一個伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含被控對象(plant)、執(zhí)行器(actuator)、控制器(controller)等幾個部分，機(jī)械手臂、機(jī)械工作平臺通常作為被控對象。執(zhí)行器的功能在于主要提供被控對象的動力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅(qū)動的方式呈現(xiàn)，若是采用油壓驅(qū)動方管鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)式，一般稱之為油壓伺服系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)的伺服系統(tǒng)采用電力驅(qū)動方式，執(zhí)行器包含了電機(jī)與功率放大器，特別設(shè)計(jì)應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的電機(jī)稱之為伺服電機(jī)(servo motor)，通常內(nèi)含位置反饋裝置，如光電編碼器(optical encoder)、解角器(resolver)，目前主要應(yīng)用于工業(yè)界的伺服電機(jī)包括直流伺服電機(jī)、永磁交流伺服電機(jī)、與感應(yīng)交流伺服電機(jī)，其中又以永磁交流伺服電機(jī)占絕大多數(shù)。控制器的功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉路控制，如扭矩控制、速度控制與位置控制等。目前一般工業(yè)用伺服驅(qū)動器(servo drive)通常包含了控制器與功率放大器。圖1所示為一般工業(yè)用伺服系統(tǒng)組成框圖。本文分析一般工業(yè)用伺服系統(tǒng)的伺服性能及闡述如何對一個既定的伺服系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到最佳的伺服性能。
分離機(jī)械圖1 一般工業(yè)用伺服系統(tǒng)組成框圖
衡量一個伺服系統(tǒng)的性能主要從以給煤機(jī)下四個方面來分析:響應(yīng)速度、剛度、穩(wěn)定性以及抗噪音能力。
·響應(yīng)顎式破速度
伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度描述了系統(tǒng)響應(yīng)指令給定的倉壁振動器快慢程度，對大部分的伺服系統(tǒng)來說追求較快的響應(yīng)速度，系統(tǒng)的增益越大，則響應(yīng)速度快，有助于提高系統(tǒng)的性能；
·剛碎石機(jī)械度
伺服系統(tǒng)的剛度描述了系統(tǒng)抗扭矩干擾的能力，系統(tǒng)的剛度比較難于衡量，這是由于系統(tǒng)的干擾往往難于量化，對于一個伺服系統(tǒng)來說，高的剛度能夠反擊式破碎機(jī)達(dá)到較好的伺服性能；
·穩(wěn)給料機(jī)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性描述了系統(tǒng)消除自振蕩的裕量，任何一個系統(tǒng)都必須有合適的穩(wěn)定裕量，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般通過對方波信號響應(yīng)的過沖量和振蕩次制砂生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)來衡量，伺服增益越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將降低；
·抗振蕩篩噪音能力
伺服系統(tǒng)的抗噪音能力描述了系統(tǒng)對噪音源的放大程度，噪音干擾會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱、振蕩，扭矩波動和雜音等不良現(xiàn)象。伺服微型振動電機(jī)增益越高，系統(tǒng)的抗噪音能力將越低。圖2～圖5所示為伺服系統(tǒng)性能的對比分析。
圖2 伺服系統(tǒng)速度環(huán)對方Y(jié)ZS系列小型振動電機(jī)波的響應(yīng)速度對比
圖3 伺服系統(tǒng)速度環(huán)對方波響應(yīng)時剛度性能的砂石料篩分設(shè)備對比
圖4 伺服系統(tǒng)速度環(huán)對方波響應(yīng)時穩(wěn)定性能的對移動皮帶輸送機(jī)比
圖5 伺服系統(tǒng)速度環(huán)中反饋電流精度的對比
伺服系統(tǒng)的調(diào)整主要是系統(tǒng)的各項(xiàng)控制增益的調(diào)整，通過上述的分析，當(dāng)增益調(diào)整較高時，可以使得系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的剛度從而提高系統(tǒng)抗扭矩干擾的能力。然而，另一個方面，過高的增益將使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗噪音能力下降。因此，伺服系統(tǒng)的調(diào)整實(shí)際上是一個尋求系統(tǒng)各項(xiàng)性能的相互平衡并使整體性能最優(yōu)的決策過程。本節(jié)中，以伺服系統(tǒng)速度環(huán)的調(diào)整為例，研究其調(diào)整過程，分析如何通過調(diào)整伺服系統(tǒng)的增益來最優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度、剛度、穩(wěn)定性以及抗噪音能力，從而得到系統(tǒng)的最佳性能。圖6所示為伺服系統(tǒng)增益調(diào)整示意圖。
圖6 伺服系統(tǒng)增益調(diào)整示意圖
伺服系統(tǒng)的調(diào)整過程中，速度環(huán)是最難調(diào)整的，一般伺服系統(tǒng)的速度環(huán)如圖7所示。速度指令來自于位置環(huán)，在調(diào)整過程中，通常以方波信號作為響應(yīng)信號，這是由于方波信號的響應(yīng)對系統(tǒng)要求最為嚴(yán)格。反饋速度與指令速度通過比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較得到速度誤差，一般來說速度環(huán)的控制作用就是為了減小這種誤差。比例積分(PI)控制器中的比例增益通常是在高頻時起作用，而積分增益通常是在中頻時起作用，速度誤差經(jīng)過比例積分控制器后其輸出為電流指令。伺服系統(tǒng)的電流環(huán)在研究速度環(huán)的時候，通常把它當(dāng)作速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)，它的作用就是把電流指令轉(zhuǎn)換成實(shí)際電流，此時有可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。
電機(jī)也作為速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)來研究，此時電機(jī)模型可以簡化為KT/JTOTAL，其中KT把電流環(huán)輸出的實(shí)際電流轉(zhuǎn)換為扭矩信號，1/JTOTAL再把扭矩信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的加速度信號。系統(tǒng)的加速度經(jīng)過積分作用得到速度信號，速度信號再次經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)的位置信號。系統(tǒng)的位置信號通過位置傳感器來檢測，系統(tǒng)的速度正比于系統(tǒng)位置的變化率。為了提高伺服系統(tǒng)的抗噪音能力以及穩(wěn)定性，通常在系統(tǒng)中加入濾波器，如圖7所示。
圖7 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)
伺服系統(tǒng)的調(diào)整主要是針對閉環(huán)控制器的增益進(jìn)行調(diào)整，使得整個系統(tǒng)達(dá)到一個最優(yōu)的工作狀態(tài)。其中速度環(huán)的調(diào)整是整個系統(tǒng)調(diào)整中最關(guān)鍵的，也是最難調(diào)整的。通常，增益的調(diào)整是一個一個地調(diào)整，首先了解伺服增益的限制因素，然后調(diào)整速度環(huán)的比例增益，接下來調(diào)整速度環(huán)的積分增益。對于每個增益參數(shù)的調(diào)整，都是從低慢慢地增加，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。
伺服系統(tǒng)比例增益的上限通常是由系統(tǒng)內(nèi)部的各個部件本身決定的，驅(qū)動器本身的采樣速率、濾波器特性、電流環(huán)特性甚至是接線產(chǎn)生的噪音，這些都可能成為限制比例增益的過高調(diào)整。同時伺服系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)和機(jī)械傳動部件也可能成為限制系統(tǒng)比例增益的重要因素。圖8為伺服系統(tǒng)調(diào)整過程示意圖，圖9為系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn)裝置。
圖8 伺服系統(tǒng)調(diào)整過程示意圖
圖9 系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn)裝置
圖10 伺服系統(tǒng)的調(diào)整流程圖
(a) 無濾波器功能
(b) 增加濾波器功能
圖11 系統(tǒng)增加濾波器功能調(diào)整結(jié)果對比
圖12 系統(tǒng)提高分辨率的調(diào)整結(jié)果對比
近年來，伺服控制系統(tǒng)無論是從應(yīng)用或是理論研究方面均漸成關(guān)注點(diǎn)。“伺服系統(tǒng)”指經(jīng)由閉回路控制方式達(dá)到一個機(jī)械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng)。討論伺服系統(tǒng)的性能著重于它的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、剛度以及抗噪音能力四個方面，然而這四個方面又相互矛盾，因此要有必要通過一定的流程和方法來指導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)整，使整個系統(tǒng)運(yùn)行于一個最優(yōu)的狀態(tài)。本文通過分析伺服系統(tǒng)的性能，側(cè)重于伺服系統(tǒng)速度環(huán)的調(diào)整，闡述了伺服系統(tǒng)調(diào)整的一般流程和方法。當(dāng)然如果需要得到系統(tǒng)各方面性能的更加詳細(xì)的信息，則必須要借助于波德圖(Bode Plots)來進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步調(diào)整。對于一般的伺服系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域來說，通過本文所介紹的方法和流程進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整完全可以達(dá)到要求。 (
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