ABB&安川伺服控制環(huán)路的增益調(diào)整及慣量匹配的使用技
伺服驅(qū)動器包括三個反饋環(huán)節(jié):位置環(huán),、速度環(huán),、電流環(huán)。最內(nèi)環(huán)(電流環(huán))的刷新速度快,,中間環(huán)節(jié)(速度環(huán))的刷新速度高于最外環(huán)(位置環(huán))的刷新速度,。如果不遵守此設(shè)計原則,將會造成電機運轉(zhuǎn)的震動或反映不良,。伺服驅(qū)動器的設(shè)計中要確保電流環(huán)具備良好的閉環(huán)刷新性能,,提高伺服響應(yīng)特性,一般伺服系統(tǒng)允許用戶對位置環(huán),、速度環(huán)的增益等參數(shù)進行調(diào)整,。
速度環(huán)增益
增大速度環(huán)比例增益,則能降低轉(zhuǎn)速波動的變化量,,提高伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬度,,保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行時的性能。在實際伺服系統(tǒng)中,,速度環(huán)比例增益不能過大,,否則將引起整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)振蕩。
位置環(huán)增益
位置環(huán)增益與伺服電機以及機械負載有著密切的聯(lián)系,,通常伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益越高,,電機運行定位對于位置指令響應(yīng)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(yīng)的機械系統(tǒng)的剛性與安裝精度也必須提高。而且當(dāng)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(tǒng)選型及調(diào)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(tǒng)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(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇合適慣量的電機;
2.在調(diào)試時正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)效能的前提,,特別是在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)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(jù)牛頓第二定律:力矩T=負載軸總慣量J×角加速度θ
由于電機選定后輸出T值不變,如果希望θ的值變大即加速度快響應(yīng)好,,則慣量J的值應(yīng)該盡量小,。
(2)負載軸的總慣量J=伺服電機的轉(zhuǎn)子慣量JM+負載慣量JL
以數(shù)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(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量組成,。JM為伺服電機轉(zhuǎn)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(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)都有影響,,慣量大,,系統(tǒng)的機械常數(shù)大,響應(yīng)慢,,會使系統(tǒng)的固有頻率下降,,容易產(chǎn)生諧振,因而限制了伺服帶寬,,影響了伺服精度和響應(yīng)速度,慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時有利,,因此,,機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下,應(yīng)盡量減小慣量,。
2.衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時,,慣量越小,系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大,,電機的負載也就越大,,越難控制,機械系統(tǒng)部分的慣量需和電機慣量相匹配才行,。不同的機構(gòu),,對慣量匹配原則有不同的選擇,且有不同的作用表現(xiàn),。例如,,CNC數(shù)控系統(tǒng)通過伺服電機作高速切削時,當(dāng)負載慣量增加時,,會發(fā)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(dāng)JL ≦ 3xJM,電機的可控性好響應(yīng)高
b.當(dāng)JL>3xJM 且JL<10×JM,,電機的可控性會些微降低
c當(dāng)JL ≧ 10×JM,,電機的可控性會明顯下降
不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關(guān)系有不同的要求,慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定,。
伺服控制時產(chǎn)生抖動和異響時的處理方法
1.當(dāng)伺服電機在零速時發(fā)生抖動和嘯叫,,應(yīng)該是增益設(shè)高了,可減小增益值,。如果啟動時抖動一下即報警停車了,,可能是動力線相序不正確。
2.伺服電機運行定位中速度環(huán)和位置環(huán)問題引起的抖動,,位置環(huán)增益,、速度環(huán)積分增益、速度環(huán)比例增益,、加速度反饋增益等參數(shù)不當(dāng),。當(dāng)增益越大,速度越大,,慣性力越大,,偏差越小,越容易產(chǎn)生抖動,。設(shè)定合適的增益可維持速度響應(yīng),,不易產(chǎn)生抖動且加工精度高,過小的增益會降低系統(tǒng)響應(yīng)和加工定位精度,。
3.負載慣量引起的抖動,,大直徑轉(zhuǎn)臺、帶輪等機械結(jié)構(gòu)引起負載慣量增大,。大轉(zhuǎn)動慣量對伺服電機傳動系統(tǒng)的剛性影響很大,,固定增益下,轉(zhuǎn)動慣量越大,,剛性越大,,越易引起電機抖動;轉(zhuǎn)動慣量越小,,剛性越小,,電機越不易抖動??赏ㄟ^更換較小直徑的帶輪,、絲桿減小轉(zhuǎn)動慣量從而減小負載慣量來達到電機不抖動,。
4.機械結(jié)構(gòu)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(chǔ)不牢、剛度不夠或固定不緊,。
b.電機軸彎曲或風(fēng)扇葉片損壞,,破壞了轉(zhuǎn)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(lián)軸器是否有轉(zhuǎn)動不平衡,有無反向間隙,。
b.檢查聯(lián)軸器,,絲桿、導(dǎo)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(dǎo)軌)的潤滑狀態(tài),定期補充潤滑油,。
以上機械問題都需要機械進行調(diào)整和改進,,提高機械部分精度降低伺服系統(tǒng)的振動和異響。
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