伺服運動控制器的調試方法研究

張明明 董佳文 吳德寶

摘 要 合理的參數設置是保證機床的加工精度、運行平穩性等基本性能的關鍵因素之一。本文主要是從伺服控制的基本原理出發，根據速度環增益設置、速度環積分時間常數設置、位置環增益設置、位置環積分時間常數設置的原則，探討相關的調試方法。

關鍵詞 伺服;控制器;調試

隨著微控制器的快速發展，其應用已經遍及各個領域，如： 電機控制、工業自動化等。傳統控制器中，單軸控制器和伺服驅動器采用分立的設計結構，系統成本高、通訊時延長、靈活性差。因此，嵌入式單軸控制器應運而生，它將單軸控制器和伺服驅動器結合在一起，解決了傳統控制器的缺陷; 嵌入式單軸控制器的出現也對調試工具提出了新的要求，在對指令進行編輯編譯的同時，也需要滿足用戶的實時調試的需求。

伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器。伺服是跟能會響應滯后，反而延長定位時間，因此，當增大位置環增益隨的意思，伺服電機是指電機依指令信號產生位置、速度或轉時，首先需提高速度環增益。矩的跟隨變化。小型交流伺服電機一般采用永磁同步電機作為2.1速度環增益設置動力源。伺服驅動器廣泛應用于注塑機、紡織機械、包裝速度環增益是決定速度環響應性的用戶常數。在機械系統機械、數控機床等領域。以數字信號處理器為控制核心的伺服不出現振動的范圍內，設定的值越大，響應性越好。驅動器已經成為市場的主流，它可以通過復雜的算法，來實現數字化、網絡化以及智能化。通用交流伺服電機驅動器依據控制信號模式，分為三種類型：位置伺服、速度伺服、轉矩伺服。其中最常用的為位置伺服控制。

1伺服控制的基本原理

隨著控制技術的日益發展，對加工精度和速度響應的要求越來越高。對CNC發出的指令是否能快速響應，是否能適應不同的機械特性，是否能在追求性能的同時保證伺服控制的穩定性，都是需要考慮的問題。反饋控制指的是按照指令、比較、放大、作用、檢出，比較的過程反復進行控制。

控制環是對輸入指令值與反饋值的差值（偏差），乘以增益再進行輸出。整個控制部分由內到外由三個反饋環組成（電流環、速度環、位置環），越是內側的環，對響應性要求越高。如果不遵守該原則，則會產生響應性變差或產生振動，由于電流環廠家出廠時即保證了充分的響應性，因此只需要針對位置環及速度環進行調整[1]。

2伺服參數設置原則

一般說來，伺服參數的調整涉及系統端位置環參數和伺服端速度環參數，位置環參數包括位置環增益和位置環積分時間常數，速度環參數包括速度環增益和速度環積分時間常數。在參數設置時，由于速度環的響應性應高于位置環的響應性。

2.1 速度環積分時間常數設置

速度環積分時間常數可以使微小的輸入也能響應。由于該積分因素對于伺服系統來說為延遲因素，因此時間常數過大時，會延長定位時間，使響應性變差。但當速度環積分時間常數設定過小，而機械系統負載慣量較大時，機床容易產生振動。

2.2 位置環增益設置

位置環增益很大程度上決定了伺服系統的響應性。位置環增益的設定值越大，則響應性越高，定位時間越短。為提高響應性，應增大位置環增益，但如果僅提高位置環增益，作為伺服系統整體的響應，容易產生振動（位置環輸出的某些速度指令產生振動），位置環增益設定應考慮機械的剛性和固有振動頻率。同時，如上所述，在增大位置環增益提高響應性時，還應注意相應提高速度環增益。

2.3 位置環積分時間常數設置

位置環積分時間常數決定位置環積分控制的響應性，值越小，響應越快，但是也越容易產生振動。所以，在避免振動的前提下應盡可能減小位置環積分時間參數[2]。

3伺服參數設置實例

下面以德國路斯特伺服和電機為對象，在電機空載情況下，通過路斯特伺服調試軟件LTi Drive Manager，按照流程，對伺服各個參數進行調試，使伺服電機運行達到較理想的狀態。

3.1 速度環調試

速度環參數設置包括速度環增益KP與速度環積分時間常數TN。每一組參數對應一條速度響應波形，波形橫坐標表示時間，單位為秒，縱坐標表示轉速，單位為轉每分鐘。藍顏色線條表示指令輸出，綠顏色線條表示實際輸出。KP影響的是響應和波形疏密度，TN影響的是響應后的精確度，經過輸出波形的反復對比，選擇參數KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms較為合適。圖4為KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms的輸出波形圖，此波形響應快，且穩定性好。

3.2 位置環調試

速度環參數設好以后，就可以開始位置環參數的調試了。位置環參數設置包括位置環增益KP與位置環積分時間常數TN。位置環增益可以先設一個比較小的值，然后按1/2的倍數增加，直到位置誤差達到了最大值（空載）或是機床振動明顯（帶負載），最后按1/3減小，調到理想的值（位置誤差小，跟隨快）。每一組參數對應一幅波形。波形橫坐標表示時間，單位為秒，縱坐標左側表示命令值和實際執行值，右側表示為命令值和實際執行值之間的差值，單位為脈沖/轉。綠顏色線條表示命令輸出，藍顏色線條描繪實際位置值，紅顏色線條則顯示了命令值和實際執行值之間的差值。經過波形的比對，選擇參數KP=15000（1/min）、TN=0.15ms較為理想[3]。

4結束語

隨著伺服系統的大規模應用，伺服電機的調試與維護顯得越來越重要。本論文通過對路斯特伺服驅動器的參數反復調試研究，積累了伺服調試的一些具體經驗，掌握了伺服驅動器調整的基本原則以及必要參數，以及調整后的效果。伺服調試是一項實踐性的工作，需要不斷地在實踐中總結調試的方式方法，以便更好地為機床生產廠商及用戶服務。

參考文獻

[1] 陶波，龔澤宇，丁漢.機器人無標定視覺伺服控制研究進展[J].力學學報，2016，48（4）：767-783.

[2] 賈丙西，劉山，張凱祥，等.機器人視覺伺服研究進展：視覺系統與控制策略[J].自動化學報，2015，41（5）：861-873.

[3] 王軍政，趙江波，汪首坤.電液伺服技術的發展與展望[J].液壓與氣動，2014，（5）：1-12.

作者簡介

張明明（1982-），男，遼寧沈陽人;畢業院校：武漢大學，專業：計算機科學與技術，工學學士，工程師，現就職單位：沈陽和研科技有限公司，研究方向：電氣自動化。