ABB&安川伺服控制環路的增益調整及慣量匹配的使用技巧

前言：伺服驅動器包括三個反饋環節：位置環、速度環、電流環。較內環（電流環）的刷新速度較快，中間環節（速度環）的刷新速度較外環（位置環）的刷新速度。如果不遵守此設計原則，將會造成電機運轉的震動或反映不良。伺服驅動器的設計中要確保電流環具備良好的閉環刷新性能，提高伺服響應特性，一般伺服系統允許用戶對位置環、速度環的增益等參數進行調整。

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伺服驅動器包括三個反饋環節：位置環、速度環、電流環。較內環（電流環）的刷新速度較快，中間環節（速度環）的刷新速度較外環（位置環）的刷新速度。如果不遵守此設計原則，將會造成電機運轉的震動或反映不良。伺服驅動器的設計中要確保電流環具備良好的閉環刷新性能，提高伺服響應特性，一般伺服系統允許用戶對位置環、速度環的增益等參數進行調整。

速度環增益

增大速度環比例增益，則能降低轉速波動的變化量，提高伺服驅動系統的硬度，保證系統穩態及瞬態運行時的性能。在實際伺服系統中，速度環比例增益不能過大，否則將引起整個伺服驅動系統振蕩。

位置環增益

位置環增益與伺服電機以及機械負載有著密切的聯系，通常伺服系統的位置環增益越高，電機運行定位對于位置指令響應的延時減小，位置跟蹤誤差值越小，定位所需時間越短，要求對應的機械系統的剛性與安裝精度也必須提高。而且當輸入的位置指令突變時，電機輸出變化劇烈，機械負載部分要承受較大的沖擊力。

慣量計算、慣性匹配

在伺服系統選型及調試中，常會碰到慣量計算問題，需滿足以下條件：

1.在伺服系統選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等因素外，我們還需要計算負載部分的總慣量，再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇合適慣量的電機;

2.在調試時正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統較佳效能的前提，特別是在要求高速高精度的系統上表現尤為重要。這樣，就有了慣量計算和匹配的問題!那到底什么是“慣量匹配”呢?

（1）根據牛頓*二定律：力矩T=負載軸總慣量J×角加速度θ

由于電機選定后較大輸出T值不變，如果希望θ的值變大即加速度快響應好，則慣量J的值應該盡量小。

（2）負載軸的總慣量J=伺服電機的轉子慣量JM+負載慣量JL

以數控機床為例，負載慣量JL由工作臺及上面裝的夾具、工件、螺桿、聯軸器等直線和旋動件的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。

慣量匹配有什么影響又如何確定呢?

1.傳動及負載慣量對伺服系統的精度、穩定性及動態響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。

2.衡量機械系統的動態特性時，慣量越小，系統的動態特性反應越好;慣量越大，電機的負載也就越大，越難控制，機械系統部分的慣量需和電機慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。例如，CNC數控系統通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發生：

(1)控制指令改變時，電機反饋速度滯后指令速度，跟隨偏差增加;
(2)電機反饋速度波動加劇；

一般日系伺服電機通常狀況下，
a.當JL ≦ 3xJM，電機的可控性好響應高
b.當JL>3xJM 且JL<10×JM，電機的可控性會些微降低
c當JL ≧ 10×JM，電機的可控性會明顯下降

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。

伺服控制時產生抖動和異響時的處理方法

1.當伺服電機在零速時發生抖動和嘯叫，應該是增益設高了，可減小增益值。如果啟動時抖動一下即報警停車了，較大可能是動力線相序不正確。

2.伺服電機運行定位中速度環和位置環問題引起的抖動，位置環增益、速度環積分增益、速度環比例增益、加速度反饋增益等參數不當。當增益越大，速度越大，慣性力越大，偏差越小，越容易產生抖動。設定合適的增益可維持速度響應，不易產生抖動且加工精度高，過小的增益會降低系統響應和加工定位精度。

3.負載慣量引起的抖動，大直徑轉臺、帶輪等機械結構引起負載慣量增大。大轉動慣量對伺服電機傳動系統的剛性影響很大，固定增益下，轉動慣量越大，剛性越大，越易引起電機抖動；轉動慣量越小，剛性越小，電機越不易抖動。可通過更換較小直徑的帶輪、絲桿減小轉動慣量從而減小負載慣量來達到電機不抖動。

4.機械結構引起的抖動可分為兩種情況：

（1）電機空載抖動：

a.電動機安裝基礎不牢、剛度不夠或固定不緊。

b.電機軸彎曲或風扇葉片損壞，破壞了轉子的機械平衡。

（2）電機加負載后抖動，一般是電機軸受軸向力或徑向力影響，可檢查以下部位是否存在異常：

a.檢查同步帶輪或聯軸器是否有轉動不平衡，有無反向間隙。

b.檢查聯軸器，絲桿、導軌等中心線和平行度，減小電機軸反作用力。

c.檢查同步帶或齒輪嚙合是否過緊，減小電機軸徑向力。

d.檢查機械部分（絲母，導軌）的潤滑狀態，定期補充潤滑油。

以上機械問題都需要機械進行調整和改進，提高機械部分精度降低伺服系統的振動和異響。

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