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技術(shù)文章

淺析伺服增益調(diào)整原理及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

作者: 發(fā)布時(shí)間:2024-07-01

摘要:伺服應(yīng)用于要求精度高、定位快的場合,在簡單的調(diào)整剛性和慣量比無法滿足現(xiàn)場要求時(shí),該如何對(duì)伺服進(jìn)行增益調(diào)整? 睿馳總結(jié)多種應(yīng)用實(shí)例,從伺服控制本質(zhì)的三環(huán)控制、三環(huán)帶寬的關(guān)系、增益參數(shù)調(diào)試步驟、各增益參數(shù)原理以及對(duì)伺服運(yùn)行的影響、常用濾波器等方面介紹伺服增益調(diào)整原理與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。


睿馳伺服驅(qū)動(dòng)器由電流控制環(huán),速度控制環(huán)和位置控制環(huán)三個(gè)環(huán)路組成,控制框圖如下:



內(nèi)層的帶寬一定大于外層的帶寬,否則整個(gè)控制系統(tǒng)為不穩(wěn)定系統(tǒng),會(huì)造成系統(tǒng)震蕩。所以,以上三個(gè)環(huán)路的帶寬關(guān)系為:


電流環(huán)帶寬>速度環(huán)帶寬>位置環(huán)帶寬


位置和速度帶寬的選擇是否合適是由機(jī)械的剛性和現(xiàn)場應(yīng)用場合決定的,一般的應(yīng)用場合,調(diào)整慣量比和剛性即可達(dá)到現(xiàn)場的響應(yīng)和定位要求。

由皮帶、鏈條或帶波動(dòng)齒輪減速機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載剛性較低,可設(shè)置為較低帶寬,剛性一般大致為7~10,例如:多關(guān)節(jié)機(jī)器人等;


直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的機(jī)械負(fù)載剛性較高,可設(shè)置為較大帶寬,剛性一般大致為14~17,例如:機(jī)床、貼片機(jī)等進(jìn)行高精度加工機(jī)械;



由減速機(jī)帶動(dòng)的滾珠絲杠的機(jī)械負(fù)載剛性中等,可設(shè)置為中等帶寬,剛性一般大致為11~14,例如:一般工作機(jī)、搬運(yùn)機(jī)械等;


如果慣量比和剛性調(diào)整后,依然無法達(dá)到現(xiàn)場的應(yīng)用要求,需要對(duì)位置環(huán)和速度環(huán)的參數(shù)一一進(jìn)行微調(diào)時(shí),但需要注意的是,如果改變其中一個(gè)參數(shù),則其他參數(shù)也需要重新調(diào)整,請(qǐng)不要對(duì)某一個(gè)參數(shù)做較大額的更改。一般可遵循以下步驟:


提高伺服響應(yīng)

降低伺服響應(yīng)


   1、提高速度環(huán)增益;


2、減小速度環(huán)積分


時(shí)間常數(shù);


   3、提高位置環(huán)增益;



  1、減小速度環(huán)增益;


2、增大速度環(huán)積分


時(shí)間常數(shù);


   3、減小位置環(huán)增益;


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睿馳交流伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)


位置控制的增益調(diào)整步驟如下:

1、 設(shè)定合適的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比;

2、 設(shè)定速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)為較大值;

3、 加大速度環(huán)增益,如果機(jī)械振動(dòng),稍許調(diào)?。?/p>

4、 減小速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù),如果機(jī)械振動(dòng),稍許調(diào)大;

5、 增大位置環(huán)增益,如果機(jī)械振動(dòng),稍許調(diào)?。?/p>

6、 如果因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振而無法加大增益,進(jìn)而無法得到應(yīng)有的伺服應(yīng)用要求,可以對(duì)轉(zhuǎn)矩低通濾波器或陷波器調(diào)整抑制機(jī)械系統(tǒng)共振;然后重新操作以上步驟以提高伺服性。建議首先使用轉(zhuǎn)矩低通濾波器,若轉(zhuǎn)矩低通濾波器效果不好再考慮陷波器;

7、 若需要更短的定位時(shí)間和更小的位置跟蹤誤差,可適當(dāng)增加速度前饋,即速度前饋增益,但不宜超過80%;


速度控制的增益調(diào)整步驟如下:

1、設(shè)定合適的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比;

2、設(shè)定速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)為較大值;

3、加大速度環(huán)增益,如果機(jī)械振動(dòng),稍許調(diào)??;

4、減小速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù),如果機(jī)械振動(dòng),稍許調(diào)大;

5、如果因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振而無法加大增益,進(jìn)而無法得到應(yīng)有的伺服應(yīng)用要求,可以對(duì)轉(zhuǎn)矩低通濾波器或陷波器調(diào)整抑制機(jī)械系統(tǒng)共振;然后重新操作以上步驟以提高伺服性。建議首先使用轉(zhuǎn)矩低通濾波器,若轉(zhuǎn)矩低通濾波器效果不好再考慮陷波器;


速度環(huán)增益:

速度環(huán)增益直接決定了速度環(huán)的響應(yīng)帶寬。在機(jī)械系統(tǒng)不產(chǎn)生共振或噪音的情況下,增大速度環(huán)增益,速度響應(yīng)會(huì)越快,對(duì)速度的跟隨性越好。但過大的速度環(huán)增益會(huì)引起機(jī)械共振。


速度環(huán)帶寬(Hz) = (1+G)/(1+JL/JM)*速度環(huán)增益(Hz)


其中:G為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比,JL為折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,JM為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)設(shè)定值G=JL/JM時(shí),速度環(huán)增益即為速度環(huán)帶寬。


速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù):

速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)可以有效的消除速度穩(wěn)態(tài)誤差,快速反應(yīng)細(xì)微的速度變化。在機(jī)械系統(tǒng)不產(chǎn)生共振或噪音的情況下,減小速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù),可以增加系統(tǒng)剛性,降低穩(wěn)態(tài)誤差。如果負(fù)載慣量比很大或機(jī)械系統(tǒng)存在共振因素,必須加大速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù),減小積分的作用,否則機(jī)械系統(tǒng)容易發(fā)生共振。如果慣量比參數(shù)G設(shè)置為JL/JM的情況下,速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)為:


速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)(ms) = 4000/(2*pi*速度環(huán)增益(Hz))其中:pi為圓周率。


位置環(huán)增益:

位置環(huán)增益直接決定了位置環(huán)的反應(yīng)速度。在機(jī)械系統(tǒng)不產(chǎn)生共振或噪音的情況下,增加位置環(huán)增益,減小位置跟蹤誤差,縮短定位時(shí)間。但過大的位置環(huán)增益也會(huì)造成機(jī)械系統(tǒng)抖動(dòng)或定位超調(diào)。位置環(huán)帶寬不可高于速度環(huán)帶寬,如下:

位置環(huán)帶寬(Hz) <= 速度環(huán)帶寬(Hz)/4


如果慣量比參數(shù)G設(shè)置為JL/JM,位置環(huán)增益可以計(jì)算:

位置環(huán)增益(1/s) <= 2*pi*速度環(huán)增益(Hz)/4


轉(zhuǎn)矩低通濾波器:

低通濾波器對(duì)高頻有很好的衰減,能較好的抑制高頻震蕩和噪聲,但對(duì)中低頻共振無抑制作用。例如絲杠連接負(fù)載時(shí),增加剛性可以提高系統(tǒng)響應(yīng),當(dāng)提高到一定程度時(shí),有時(shí)會(huì)發(fā)生高頻共振,電流發(fā)生震蕩,使用轉(zhuǎn)矩低通濾波器會(huì)有較好的效果。


設(shè)置值越小,系統(tǒng)的響應(yīng)性越能很好的控制,但受機(jī)械條件限制;設(shè)置值越大,越能抑制高頻共振,但太大設(shè)置值會(huì)造成響應(yīng)帶寬和相位裕度減小,造成系統(tǒng)震蕩。



陷波器:

伺服驅(qū)動(dòng)器中有兩個(gè)陷波器,可以同時(shí)使用,能抑制兩種不同的頻率共振。系統(tǒng)的共振頻率可以大概通過觀看電流波形計(jì)算得到,共振頻率知道的情況下,陷波器可以直接將共振現(xiàn)象消除;共振頻率不確定的情況下,可以從高到低逐步降低陷波器頻率設(shè)置值,直至電流振蕩最小的頻率設(shè)置值即為最優(yōu)值。



如果共振頻率是隨著時(shí)間或其他因素偏移的,且偏移范圍較大,則陷波器不適用。



陷波器不僅包括頻率這個(gè)參數(shù),還包括陷波器深度和品質(zhì)因數(shù)。陷波器深度越深,機(jī)械共振抑制效果越好,但會(huì)造成相位延遲大,有時(shí)反而會(huì)加大系統(tǒng)的振動(dòng);陷波器寬度越寬,品質(zhì)因數(shù)越小,機(jī)械共振抑制效果越好,但也會(huì)造成相位變化區(qū)域大,有時(shí)也反而會(huì)加大系統(tǒng)的振動(dòng)。


睿馳伺服常見的調(diào)試步驟:


確定接線方式

查看使能方式,在外部使能時(shí),參數(shù)Pr4.00使用默認(rèn)參數(shù)。當(dāng)內(nèi)部使能時(shí)參數(shù)Pr4.00值更改為383。



Pr4.10為驅(qū)動(dòng)器報(bào)警輸出,當(dāng)410參數(shù)設(shè)置為0101時(shí),正常輸出電壓為0V,報(bào)警輸出為24V,當(dāng)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警點(diǎn)并聯(lián)時(shí),測(cè)得輸出為0V,不能反映報(bào)警狀態(tài)。


當(dāng)參數(shù)設(shè)置為8181時(shí),正常輸出電壓為24V,報(bào)警輸出為0V,當(dāng)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警點(diǎn)并聯(lián)時(shí),測(cè)得輸出為0V,可以反映報(bào)警狀態(tài)。


確定脈沖輸入方式,確定參數(shù)Pr0.06和Pr0.07



測(cè)試負(fù)載慣量

驅(qū)動(dòng)器面板監(jiān)控參數(shù)D16可以顯示負(fù)載慣量。測(cè)試方法:

運(yùn)行速度≥1000rpm,間歇時(shí)間≥1000,重復(fù)次數(shù)≥1,加減速時(shí)間和行程根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)置。 然后點(diǎn)“開始”,觀察驅(qū)動(dòng)器面板d16 Jrt檢測(cè)到的負(fù)載慣量值。把監(jiān)測(cè)到的負(fù)載慣量平均值減去100填入Pr004。(100是指電機(jī)轉(zhuǎn)子自身負(fù)載慣量)




設(shè)備剛性

在設(shè)備允許的情況下,盡可能增大剛性,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí),減小剛性。


剛性調(diào)整如下:

A:當(dāng)參數(shù)Pr0.02為1或2時(shí),直接調(diào)整剛性Pr0.03,剛性關(guān)聯(lián)的參數(shù)如下表參數(shù):

第1增益和第2增益的切換按照參數(shù)Pr1.15設(shè)置:


B:當(dāng)參數(shù)Pr0.02為0時(shí),剛性Pr0.03與上表中關(guān)聯(lián)第1增益和第2增益參數(shù)解綁,可以按上述步驟拆分對(duì)位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)矩濾波器分別調(diào)整。


電子齒輪比

電子齒輪的關(guān)聯(lián)參數(shù)為 Pr0.09 和 Pr0.10

驅(qū)動(dòng)器默認(rèn)脈沖數(shù)為10000,當(dāng)實(shí)際脈沖數(shù)為10000時(shí),兩個(gè)參數(shù)都為1

當(dāng)實(shí)際脈沖為1000時(shí),Pr0.09 為10, Pr0.10為1,即默認(rèn)脈沖數(shù)與實(shí)際脈沖數(shù)的比值。



面板操作方法



參數(shù)保存操作步驟:




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