北成新控丨ABB&安川伺服控制环路的增益调整及惯量匹配的使用

伺服驱动器包括三个反馈环节：位置环、速度环、电流环。最内环（电流环）的刷新速度，中间环节（速度环）的刷新速度高于最外环（位置环）的刷新速度。如果不遵守此设计原则，将会造成电机运转的震动或反映不良。伺服驱动器的设计中要确保电流环具备良好的闭环刷新性能，提高伺服响应特性，一般伺服系统允许用户对位置环、速度环的增益等参数进行调整。

速度环增益

增大速度环比例增益，则能降低转速波动的变化量，提高伺服驱动系统的硬度，保证系统稳态及瞬态运行时的性能。在实际伺服系统中，速度环比例增益不能过大，否则将引起整个伺服驱动系统振荡。

位置环增益

位置环增益与伺服电机以及机械负载有着密切的联系，通常伺服系统的位置环增益越高，电机运行定位对于位置指令响应的延时减小，位置跟踪误差值越小，定位所需时间越短，要求对应的机械系统的刚性与安装精度也必须提高。而且当输入的位置指令突变时，电机输出变化剧烈，机械负载部分要承受较大的冲击力。

惯量计算、惯性匹配

在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量计算问题，需满足以下条件：　　

1.在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等因素外，我们还需要计算负载部分的总惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择合适惯量的电机;

2.在调试时正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统效能的前提，特别是在要求高速高精度的系统上表现尤为重要。这样，就有了惯量计算和匹配的问题!那到底什么是“惯量匹配”呢?

（1）根据牛顿第二定律：力矩T=负载轴总惯量J×角加速度θ

由于电机选定后输出T值不变，如果希望θ的值变大即加速度快响应好，则惯量J的值应该尽量小。

（2）负载轴的总惯量J=伺服电机的转子惯量JM+负载惯量JL

以数控机床为例，负载惯量JL由工作台及上面装的夹具、工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量组成。JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。

惯量匹配有什么影响又如何确定呢?

1.传动及负载惯量对伺服系统的精度、稳定性及动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

2.衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好;惯量越大，电机的负载也就越大，越难控制，机械系统部分的惯量需和电机惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。例如，CNC数控系统通过伺服电机作高速切削时，当负载惯量增加时，会发生：

(1)控制指令改变时，电机反馈速度滞后指令速度，跟随偏差增加;
(2)电机反馈速度波动加剧；

一般日系伺服电机通常状况下，
a.当JL ≦ 3xJM，电机的可控性好响应高
b.当JL>3xJM 且JL<10×JM，电机的可控性会些微降低
c当JL ≧ 10×JM，电机的可控性会明显下降

不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。

伺服控制时产生抖动和异响时的处理方法

1.当伺服电机在零速时发生抖动和啸叫，应该是增益设高了，可减小增益值。如果启动时抖动一下即报警停车了，可能是动力线相序不正确。

2.伺服电机运行定位中速度环和位置环问题引起的抖动，位置环增益、速度环积分增益、速度环比例增益、加速度反馈增益等参数不当。当增益越大，速度越大，惯性力越大，偏差越小，越容易产生抖动。设定合适的增益可维持速度响应，不易产生抖动且加工精度高，过小的增益会降低系统响应和加工定位精度。

3.负载惯量引起的抖动，大直径转台、带轮等机械结构引起负载惯量增大。大转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大，固定增益下，转动惯量越大，刚性越大，越易引起电机抖动；转动惯量越小，刚性越小，电机越不易抖动。可通过更换较小直径的带轮、丝杆减小转动惯量从而减小负载惯量来达到电机不抖动。

4.机械结构引起的抖动可分为两种情况：

（1）电机空载抖动：

a.电动机安装基础不牢、刚度不够或固定不紧。

b.电机轴弯曲或风扇叶片损坏，破坏了转子的机械平衡。

（2）电机加负载后抖动，一般是电机轴受轴向力或径向力影响，可检查以下部位是否存在异常：

a.检查同步带轮或联轴器是否有转动不平衡，有无反向间隙。

b.检查联轴器，丝杆、导轨等中心线和平行度，减小电机轴反作用力。

c.检查同步带或齿轮啮合是否过紧，减小电机轴径向力。

d.检查机械部分（丝母，导轨）的润滑状态，定期补充润滑油。

以上机械问题都需要机械进行调整和改进，提高机械部分精度降低伺服系统的振动和异响。

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