伺服驱动器增益调整原理及应用经验

伺服驱动器应用于要求精度高、定位快的场合，在简单的调整刚性和惯量比无法满足现场要求时，该如何对伺服进行增益调整？ 总结多种应用实例，从伺服控制本质的三环控制、三环带宽的关系、增益参数调试步骤、各增益参数原理以及对伺服运行的影响、常用滤波器等方面介绍伺服增益调整原理与应用经验。

伺服驱动器由电流控制环，速度控制环和位置控制环三个环路组成，控制框图如下：

层的带宽一定大于外层的带宽，否则整个控制系统为不稳定系统，会造成系统震荡。所以，以上三个环路的带宽关系为：

位置和速度带宽的选择是否合适是由机械的刚性和现场应用场合决定的，一般的应用场合，调整惯量比和刚性即可达到现场的响应和定位要求。

由皮带、链条或带波动齿轮减速机连接的机械负载刚性较低，可设置为较低带宽，刚性一般大致为7~10，例如：多关节机器人等；

直接驱动滚珠丝杠的机械负载刚性较高，可设置为较大带宽，刚性一般大致为14~17，例如：机床、贴片机等进行高精度加工机械；

由减速机带动的滚珠丝杠的机械负载刚性中等，可设置为中等带宽，刚性一般大致为11~14，例如：一般工作机、搬运机械等；

如果惯量比和刚性调整后，依然无法达到现场的应用要求，需要对位置环和速度环的参数一一进行微调时，但需要注意的是，如果改变其中一个参数，则其他参数也需要重新调整，请不要对某一个参数做较大额的更改。一般可遵循以下步骤：

交流伺服驱动器及电机

位置控制的增益调整步骤如下：

1、 设定合适的转动惯量比；

2、 设定速度环积分时间常数为较大值；

3、 加大速度环增益，如果机械振动，稍许调小；

4、 减小速度环积分时间常数，如果机械振动，稍许调大；

5、 增大位置环增益，如果机械振动，稍许调小；

6、 如果因为机械系统发生共振而无法加大增益，进而无法得到应有的伺服应用要求，可以对转矩低通滤波器或陷波器调整抑制机械系统共振；然后重新操作以上步骤以提高伺服性。建议首先使用转矩低通滤波器，若转矩低通滤波器效果不好再考虑陷波器；

7、 若需要更短的定位时间和更小的位置跟踪误差，可适当增加速度前馈，即速度前馈增益，但不宜超过80%；

速度控制的增益调整步骤如下：

1、设定合适的转动惯量比；

2、设定速度环积分时间常数为较大值；

3、加大速度环增益，如果机械振动，稍许调小；

4、减小速度环积分时间常数，如果机械振动，稍许调大；

5、如果因为机械系统发生共振而无法加大增益，进而无法得到应有的伺服应用要求，可以对转矩低通滤波器或陷波器调整抑制机械系统共振；然后重新操作以上步骤以提高伺服性。建议首先使用转矩低通滤波器，若转矩低通滤波器效果不好再考虑陷波器；

速度环增益：

速度环增益直接决定了速度环的响应带宽。在机械系统不产生共振或噪音的情况下，增大速度环增益，速度响应会越快，对速度的跟随性越好。但过大的速度环增益会引起机械共振。

速度环带宽(Hz) = （1+G）/（1+JL/JM）*速度环增益(Hz)

其中：G为转动惯量比，JL为折算到电机轴的负载转动惯量，JM为电机转子转动惯量。当设定值G=JL/JM时，速度环增益即为速度环带宽。

速度环积分时间常数：

速度环积分时间常数可以有效的消除速度稳态误差，快速反应细微的速度变化。在机械系统不产生共振或噪音的情况下，减小速度环积分时间常数，可以增加系统刚性，降低稳态误差。如果负载惯量比很大或机械系统存在共振因素，必须加大速度环积分时间常数，减小积分的作用，否则机械系统容易发生共振。如果惯量比参数G设置为JL/JM的情况下，速度环积分时间常数为：

速度环积分时间常数(ms) = 4000/（2*pi*速度环增益(Hz)）其中：pi为圆周率。

位置环增益：

位置环增益直接决定了位置环的反应速度。在机械系统不产生共振或噪音的情况下，增加位置环增益，减小位置跟踪误差，缩短定位时间。但过大的位置环增益也会造成机械系统抖动或定位超调。位置环带宽不可高于速度环带宽，如下：

位置环带宽(Hz) <= 速度环带宽(Hz)/4

如果惯量比参数G设置为JL/JM，位置环增益可以计算：

位置环增益(1/s) <= 2*pi*速度环增益(Hz)/4