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伺服驱动器的相关参数设置与伺服驱动器频带宽度测试

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分 ， 被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中 。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点 。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法 。该算法中速度闭环设计合理与否 ， 对于整个伺服控制系统 ， 特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 。
伺服驱动器的基本要求伺服进给系统的要求
1、调速范围宽
2、定位精度高
3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性
4、快速响应 ， 无超调
为了保证生产率和加工质量 ， 除了要求有较高的定位精度外 ， 还要求有良好的快速响应特性 ， 即要求跟踪指令信号的响应要快 ， 因为数控系统在启动、制动时 ， 要求加、减加速度足够大 ， 缩短进给系统的过渡过程时间 ， 减小轮廓过渡误差 。
5、低速大转矩 ， 过载能力强
一般来说 ， 伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力 ， 在短时间内可以过载4～6倍而不损坏 。
6、可靠性高
要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好 ， 具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力 。
对电机的要求
1、从最低速到最高速电机都能平稳运转 ， 转矩波动要小 ， 尤其在低速如0.1r/min或更低速时 ， 仍有平稳的速度而无爬行现象 。
2、电机应具有大的较长时间的过载能力 ， 以满足低速大转矩的要求 。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏 。
3、为了满足快速响应的要求 ， 电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩 ， 并具有尽可能小的时间常数和启动电压 。
4、电机应能承受频繁启、制动和反转 。
伺服驱动器原理目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心 ， 可以实现比较复杂的控制算法 ， 实现数字化、网络化和智能化 。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路 ， IPM内部集成了驱动电路 ， 同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路 ， 在主回路中还加入软启动电路 ， 以减小启动过程对驱动器的冲击 。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流 ， 得到相应的直流电 。经过整流好的三相电或市电 ， 再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机 。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程 。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路 。
随着伺服系统的大规模应用 ， 伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题 ， 越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究 。
伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分 ， 被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中 。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点 。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法 。该算法中速度闭环设计合理与否 ， 对于整个伺服控制系统 ， 特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 。
伺服驱动器的相关参数设置在自动化设备中 ， 经常用到伺服电机 ， 特别是位置控制 ， 
大部分品牌的伺服电机都有位置控制功能 ， 通过控制器发出脉冲来控制伺服电机运行 ， 
脉冲数对应转的角度 ， 脉冲频率对应速度（与电子齿轮设定有关） ， 
当一个新的系统 ， 参数不能工作时 ， 首先设定位置增益 ， 确保电机无噪音情况下 ， 尽量设大些 ， 
转动惯量比也非常重要 ， 可通过自学习设定的数来参考 ， 
然后设定速度增益和速度积分时间 ， 确保在低速运行时连续 ， 位置精度受控即可 。
1.位置比例增益：设定位置环调节器的比例增益 。设置值越大 ， 增益越高 ， 刚度越大 ， 相同频率指令脉冲条件下 ， 位置滞后量越小 。但数值太大可能会引起振荡或超调 。参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定 。
2.位置前馈增益：设定位置环的前馈增益 。设定值越大时 ， 表示在任何频率的指令脉冲下 ， 位置滞后量越小位置环的前馈增益大 ， 控制系统的高速响应特性提高 ， 但会使系统的位置不稳定 ， 容易产生振荡 。不需要很高的响应特性时 ， 本参数通常设为0表示范围：0~100%
3.速度比例增益：设定速度调节器的比例增益 。设置值越大 ， 增益越高 ， 刚度越大 。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载值情况确定 。一般情况下 ， 负载惯量越大 ， 设定值越大 。在系统不产生振荡的条件下 ， 尽量设定较大的值 。
4.速度积分时间常数：设定速度调节器的积分时间常数 。设置值越小 ， 积分速度越快 。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载情况确定 。一般情况下 ， 负载惯量越大 ， 设定值越大 。在系统不产生振荡的条件下 ， 尽量设定较小的值 。www.diangon.com
5.速度反馈滤波因子：设定速度反馈低通滤波器特性 。数值越大 ， 截止频率越低 ， 电机产生的噪音越小 。如果负载惯量很大 ， 可以适当减小设定值 。数值太大 ， 造成响应变慢 ， 可能会引起振荡 。数值越小 ， 截止频率越高 ， 速度反馈响应越快 。如果需要较高的速度响应 ， 可以适当减小设定值 。
6.最大输出转矩设置：设置伺服驱动器的内部转矩限制值 。设置值是额定转矩的百分比 ， 任何时候 ， 这个限制都有效定位完成范围设定位置控制方式下定位完成脉冲范围 。本参数提供了位置控制方式下驱动器判断是否完成定位的依据 ， 当位置偏差计数器内的剩余脉冲数小于或等于本参数设定值时 ， 驱动器认为定位已完成 ， 到位开关信号为 ON ， 否则为OFF 。
在位置控制方式时 ， 输出位置定位完成信号 ， 加减速时间常数设置值是表示电机从0~2000r/min的加速时间或从2000~0r/min的减速时间 。加减速特性是线性的到达速度范围设置到达速度在非位置控制方式下 ， 如果伺服电机速度超过本设定值 ， 则速度到达开关信号为ON ， 否则为 OFF 。在位置控制方式下 ， 不用此参数 。与旋转方向无关 。
7.手动调整增益参数
调整速度比例增益KVP值 。当伺服系统安装完后 ， 必须调整参数 ， 使系统稳定旋转 。首先调整速度比例增益KVP值．调整之前必须把积分增益KVI及微分增益KVD调整至零 ， 然后将KVP值渐渐加大；同时观察伺服电机停止时足否产生振荡 ， 并且以手动方式调整KVP参数 ， 观察旋转速度是否明显忽快忽慢．KVP值加大到产生以上现象时 ， 必须将KVP值往回调小 ， 使振荡消除、旋转速度稳定 。此时的KVP值即初步确定的参数值 。如有必要 ， 经KⅥ和KVD调整后 ， 可再作反复修正以达到理想值 。
调整积分增益KⅥ值 。将积分增益KVI值渐渐加大 ， 使积分效应渐渐产生 。由前述对积分控制的介绍可看出 ， KVP值配合积分效应增加到临界值后将产生振荡而不稳定 ， 如同KVP值一样 ， 将KVI值往回调小 ， 使振荡消除、旋转速度稳定 。此时的KVI值即初步确定的参数值 。
调整微分增益KVD值 。微分增益主要目的是使速度旋转平稳 ， 降低超调量 。因此 ， 将KVD值渐渐加大可改善速度稳定性 。
调整位置比例增益KPP值 。如果KPP值调整过大 ， 伺服电机定位时将发生电机定位超调量过大 ， 造成不稳定现象 。此时 ， 必须调小KPP值 ， 降低超调量及避开不稳定区；但也不能调整太小 ， 使定位效率降低 。因此 ， 调整时应小心配合 。
8.自动调整增益参数
现代伺服驱动器均已微计算机化 ， 大部分提供自动增益调整（ autotuning）的功能 ， 可应付多数负载状况 。在参数调整时 ， 可先使用自动参数调整功能 ， 必要时再手动调整 。
事实上 ， 自动增益调整也有选项设置 ， 一般将控制响应分为几个等级 ， 如高响应、中响应、低响应 ， 用户可依据实际需求进行设置 。
伺服驱动器频带宽度的测试驱动器输入正弦波转速指令 ， 其幅值为额定转速指令值的0.01倍 ， 频率由1Hz逐渐升高 ， 记录电动机对应的转速曲线 ， 随着指令正弦波频率的提高 ， 电动机转速的波形曲线对指令正弦波曲线的相位滞后逐渐增大 ， 而幅值逐渐减小 。测取相位滞后增大至90°时的频率作为90°相移的频带宽度；幅值减小至1/√2倍的频率作为-3dB频带宽度 ， 以先达到的条件为准 。
下文对该测试方法进行相关解释 ， 为了方便描述 ， 将该标准简称为《通用技术条件》 。
伺服驱动器的控制信号端子中 ， 有1~2个模拟电压信号指令输入端子 ， 用于转速或转矩指令的外部输入 ， 在习惯上常称为“伺服驱动器的AD端口” 。一般转速指令为幅值±10V的正弦波信号 。如图1所示 。
如果伺服驱动器对输入指令不设置阈值（电压死区） ， 理想情况下 ， +10V对应电机正转的额定速度 ， -10V则对应电机反转的额定速度 ， 指令电压幅值的变化 ， 电机转速也随之线性变化 ， 如图2所示 。
《通用技术条件》：“驱动器输入正弦波转速指令 ， 其幅值为额定转速指令值的0.01倍” 。
假设转速指令幅值为±10V ， 并且电机的额定转速为6000RPM ， 即当输入幅值为0.1V的正弦波电压信号 ， 此时伺服电机的转速为60RPM 。
《通用技术条件》：“频率由1Hz逐渐升高 ， 记录电动机对应的转速曲线”
正弦波频率由1Hz逐渐升高 ， 如图3所示 。
在该指令的控制下 ， 伺服电机进行以正向加速——正向减速——反向加速——反向减速四个运动为一个周期的动作 ， 正弦波指令信号在一定的频率时 ， 伺服电机的最高转速为60RPM ， 随着指令正弦波频率的提高 ， 电动机转速的波形曲线对指令正弦波曲线的相位滞后逐渐增大 ， 而幅值逐渐减小 。
《通用技术条件》：“测取相位滞后增大至90°时的频率作为90°相移的频带宽度；幅值减小至1/√2倍的频率作为-3dB频带宽度 ， 以先达到的条件为准 。”
以幅值频率曲线为例 ， 如图4所示 。此时频率f为伺服驱动器的频带宽度 。
【伺服驱动器的相关参数设置与伺服驱动器频带宽度测试】

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