伺服驅動器的相關參數(shù)設置與伺服驅動器頻帶寬度測試

　　伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用。

　　伺服驅動器的基本要求

　　伺服進給系統(tǒng)的要求

　　1、調速范圍寬

　　2、定位精度高

　　3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性

　　4、快速響應，無超調

　　為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

　　5、低速大轉矩，過載能力強

　　一般來說，伺服驅動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。

　　6、可靠性高

　　要求數(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。

　　對電機的要求

　　1、從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。

　　2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內過載4～6倍而不損壞。

　　3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。

　　4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。

　　伺服驅動器原理

　　目前主流的伺服驅動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

　　隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。

　　伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用。

　　伺服驅動器的相關參數(shù)設置

　　在自動化設備中，經常用到伺服電機，特別是位置控制，

　　大部分品牌的伺服電機都有位置控制功能，通過控制器發(fā)出脈沖來控制伺服電機運行，

　　脈沖數(shù)對應轉的角度，脈沖頻率對應速度（與電子齒輪設定有關），

　　當一個新的系統(tǒng)，參數(shù)不能工作時，首先設定位置增益，確保電機無噪音情況下，盡量設大些，

　　轉動慣量比也非常重要，可通過自學習設定的數(shù)來參考，

　　然后設定速度增益和速度積分時間，確保在低速運行時連續(xù)，位置精度受控即可。

　　1.位置比例增益：設定位置環(huán)調節(jié)器的比例增益。設置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會引起振蕩或超調。參數(shù)數(shù)值由具體的伺服系統(tǒng)型號和負載情況確定。

　　2.位置前饋增益：設定位置環(huán)的前饋增益。設定值越大時，表示在任何頻率的指令脈沖下，位置滯后量越小位置環(huán)的前饋增益大，控制系統(tǒng)的高速響應特性提高，但會使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定，容易產生振蕩。不需要很高的響應特性時，本參數(shù)通常設為0表示范圍：0~100%

　　3.速度比例增益：設定速度調節(jié)器的比例增益。設置值越大，增益越高，剛度越大。參數(shù)數(shù)值根據具體的伺服驅動系統(tǒng)型號和負載值情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大。在系統(tǒng)不產生振蕩的條件下，盡量設定較大的值。

　　4.速度積分時間常數(shù)：設定速度調節(jié)器的積分時間常數(shù)。設置值越小，積分速度越快。參數(shù)數(shù)值根據具體的伺服驅動系統(tǒng)型號和負載情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大。在系統(tǒng)不產生振蕩的條件下，盡量設定較小的值。www.diangon.com

　　5.速度反饋濾波因子：設定速度反饋低通濾波器特性。數(shù)值越大，截止頻率越低，電機產生的噪音越小。如果負載慣量很大，可以適當減小設定值。數(shù)值太大，造成響應變慢，可能會引起振蕩。數(shù)值越小，截止頻率越高，速度反饋響應越快。如果需要較高的速度響應，可以適當減小設定值。

　　6.最大輸出轉矩設置：設置伺服驅動器的內部轉矩限制值。設置值是額定轉矩的百分比，任何時候，這個限制都有效定位完成范圍設定位置控制方式下定位完成脈沖范圍。本參數(shù)提供了位置控制方式下驅動器判斷是否完成定位的依據，當位置偏差計數(shù)器內的剩余脈沖數(shù)小于或等于本參數(shù)設定值時，驅動器認為定位已完成，到位開關信號為 ON，否則為OFF。

　　在位置控制方式時，輸出位置定位完成信號，加減速時間常數(shù)設置值是表示電機從0~2000r/min的加速時間或從2000~0r/min的減速時間。加減速特性是線性的到達速度范圍設置到達速度在非位置控制方式下，如果伺服電機速度超過本設定值，則速度到達開關信號為ON，否則為 OFF。在位置控制方式下，不用此參數(shù)。與旋轉方向無關。

　　7.手動調整增益參數(shù)

　　調整速度比例增益KVP值。當伺服系統(tǒng)安裝完后，必須調整參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定旋轉。首先調整速度比例增益KVP值．調整之前必須把積分增益KVI及微分增益KVD調整至零，然后將KVP值漸漸加大；同時觀察伺服電機停止時足否產生振蕩，并且以手動方式調整KVP參數(shù)，觀察旋轉速度是否明顯忽快忽慢．KVP值加大到產生以上現(xiàn)象時，必須將KVP值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩(wěn)定。此時的KVP值即初步確定的參數(shù)值。如有必要，經KⅥ和KVD調整后，可再作反復修正以達到理想值。

　　調整積分增益KⅥ值。將積分增益KVI值漸漸加大，使積分效應漸漸產生。由前述對積分控制的介紹可看出，KVP值配合積分效應增加到臨界值后將產生振蕩而不穩(wěn)定，如同KVP值一樣，將KVI值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩(wěn)定。此時的KVI值即初步確定的參數(shù)值。

　　調整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋轉平穩(wěn)，降低超調量。因此，將KVD值漸漸加大可改善速度穩(wěn)定性。

　　調整位置比例增益KPP值。如果KPP值調整過大，伺服電機定位時將發(fā)生電機定位超調量過大，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。此時，必須調小KPP值，降低超調量及避開不穩(wěn)定區(qū)；但也不能調整太小，使定位效率降低。因此，調整時應小心配合。

　　8.自動調整增益參數(shù)

　　現(xiàn)代伺服驅動器均已微計算機化，大部分提供自動增益調整（ autotuning）的功能，可應付多數(shù)負載狀況。在參數(shù)調整時，可先使用自動參數(shù)調整功能，必要時再手動調整。

　　事實上，自動增益調整也有選項設置，一般將控制響應分為幾個等級，如高響應、中響應、低響應，用戶可依據實際需求進行設置。

　　伺服驅動器頻帶寬度的測試

　　驅動器輸入正弦波轉速指令，其幅值為額定轉速指令值的0.01倍，頻率由1Hz逐漸升高，記錄電動機對應的轉速曲線，隨著指令正弦波頻率的提高，電動機轉速的波形曲線對指令正弦波曲線的相位滯后逐漸增大，而幅值逐漸減小。測取相位滯后增大至90°時的頻率作為90°相移的頻帶寬度；幅值減小至1/√2倍的頻率作為-3dB頻帶寬度，以先達到的條件為準。

　　下文對該測試方法進行相關解釋，為了方便描述，將該標準簡稱為《通用技術條件》。

　　伺服驅動器的控制信號端子中，有1~2個模擬電壓信號指令輸入端子，用于轉速或轉矩指令的外部輸入，在習慣上常稱為“伺服驅動器的AD端口”。一般轉速指令為幅值±10V的正弦波信號。如圖1所示。

　　如果伺服驅動器對輸入指令不設置閾值（電壓死區(qū)），理想情況下，+10V對應電機正轉的額定速度，-10V則對應電機反轉的額定速度，指令電壓幅值的變化，電機轉速也隨之線性變化，如圖2所示。

　　《通用技術條件》：“驅動器輸入正弦波轉速指令，其幅值為額定轉速指令值的0.01倍”。

　　假設轉速指令幅值為±10V，并且電機的額定轉速為6000RPM，即當輸入幅值為0.1V的正弦波電壓信號，此時伺服電機的轉速為60RPM。

　　《通用技術條件》：“頻率由1Hz逐漸升高，記錄電動機對應的轉速曲線”

　　正弦波頻率由1Hz逐漸升高，如圖3所示。

　　在該指令的控制下，伺服電機進行以正向加速——正向減速——反向加速——反向減速四個運動為一個周期的動作，正弦波指令信號在一定的頻率時，伺服電機的最高轉速為60RPM，隨著指令正弦波頻率的提高，電動機轉速的波形曲線對指令正弦波曲線的相位滯后逐漸增大，而幅值逐漸減小。

　　《通用技術條件》：“測取相位滯后增大至90°時的頻率作為90°相移的頻帶寬度；幅值減小至1/√2倍的頻率作為-3dB頻帶寬度，以先達到的條件為準。”

　　以幅值頻率曲線為例，如圖4所示。此時頻率f為伺服驅動器的頻帶寬度。