交流伺服系统的电气设计及动态性能分析

1　引言
　　近年来，随着数控机床的广泛使用，对伺服系统性能的测试分析和调试技术提出了更高的要求，在测试分析方面，系统静特性的测试和分析相对来说比较容易，而动态特性的测试和分析则要困难得多；在调试技术方面，离线调试比较容易实现，而带机床部件运动的在线调试则困难得多。测试是分析的基础，分析又是调试的基础。所以，要实现在线调试，必须进行动态性能分析，而要进行分析，首先要实现对伺服系统性能的测试。因此，对伺服系统动态性能分析及在线调试技术的研究，就是要寻找对伺服系统进行动态性能测试和分析的方法及实现在线调试伺服系统的技术。

2　伺服系统动态性能分析及在线调试技术研究工作的指导思想　　
　　随着计算机和电力电子技术的发展，高精度、率的数控机床在生产中应用得越来越多。由于伺服系统是数控机床进给运动的zui终执行者，其工作性能优劣与否及是否调整至*状态，对机床的加工精度影响至深。目前国内各伺服系统的制造生产单位和机床厂家均缺乏对带有负载的伺服系统进行动态性能分析和在线调试的有效手段，往往出现超调、振荡、位置控制过于滞后等现象。伺服系统的主要参数与负载有密切关系，只有通过带负载的在线调试，才能保证伺服系统的动态性能，使工作处于*状态。

3　系统主要硬件设计
　　系统主要硬件设计如图1所示。
　　图1中：主电路采用单相220 V电源供电，闭合QF，然后开关按钮SB1（主轴）闭合，同时KM1闭合，其常开触点闭合给驱动器供电；SB2控制开关KM2同时闭合常开触点，变频器上电，启动主轴刀头，电源 target=_blank>开关电源提供＋24 V、＋5 V供电电压。

4　动态在线调试
　　调试系统控制方框图如图2所示。
　　采取驱动器自动增益调节，刚性为4，此时调整对系统MOVTEC板卡进行PID参数在线调节，其中，P、I、D三个重要系数的含义为
　　P：AcsipFak＝各轴比例过滤器值
　　当前位置误差（在增加）与该值相乘，其结果加入当前速度。如果该值太小，控制反应软，会产生延迟。　　
　　I：DAcsiIFak＝各轴积分过滤器值
　　当前位置误差（在增加）与该值相乘，其结果与每个控制环节相加后加入当前速度。该过程适用于固定位置误差（如由摩擦引起的误差）。在绝大部分时间，该值为0，如果值过大，会引起*震荡。
　　D：ACsiDFak＝各轴微分过滤器值
　　该环节的使用要求的位置数据，它们的微分值（在增加）与其相乘再加上当前速度，该值可减少运动中的位置误差。如果值过大，控制在要求位置前不变。 


　　设计如下T程序，V＝100　A＝100时，让y方向电机走100 mm：
　　ML＿R＝100；ML＿F＝100；＿Y＝＿Y＋100；M。
　　比例作用P对整个系统调速性能的影响：
　　（1）P＝0．2，I＝0，D＝0
　　由图3可以看到：电机在力矩40％的情况下，速度远远无法满足A＝100 mm／s、V＝100 mm的要求，给定和实际转速维持在0～24 r／min，电机刚启动就停了，位置误差很小，在40脉冲上下抖动；可以听到当时永磁同步交流伺服电机在低转速下运行发出的噪音；显然由于比例放大系数Kp调的太低，致使当前位置误差（在增加）与该值相乘加入当前速度太小，控制反应太软，产生延迟。

　　尽管速度响应不够理想，可是由于选择驱动器位置控制方式下的硬件线路连接，在大约10秒时间电机稳稳停在＿y＝＿y＋100处。
　　（2）P＝1，I＝0，D＝0

　　很明显，提高Kp，系统的反应速度变快，负载转矩随给定转速和实际转速加快而上升，整个过程zui大位置误差由40脉冲变化为195个脉冲，也就是说，随Kp的增大，位置误差在增加，力矩也在增加。可以听到电机运转噪音减小，转速加快，zui后刀头稳稳的停在了＿y＝＿y＋100处。






　　由以上采集到的数据可以发现，在p＝130时，系统速度基本已达到要求，而p＝1 000时，位置误差接近1 770 pulse，为此选择p＝130为*参数。
　　下面分析比例积分PI对系统性能的影响：
　　1）P＝130，I＝10，D＝0

　　清楚地看到，在p＝130保持不变，加入积分增益时对系统的影响为
　　（1）zui高速度达到了1 202r／min，zui大位置误差1 777pulse，与纯比例增益调节相比都增加了，这一点可以看成是积分作用带来的优点；
　　（2）在速度降为0后，旋转力矩反向多次。这是因为积分作用，只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除；
　　（3）对于系统，zui终并不需要见到上图速度降为0，电机不断正反转的情况出现，所以综合考虑，zui后没有采取带积分的调节。

    可见，改变积分增益，在电机*次速度降为0后总可以听到电机不停做正反转的声音，所以建议设定此参数为0。
　　下面分析比例积分PD对系统性能的影响。 


　　总之，由于积分的存在使得电机产生震荡，建议采用PI方式调节，选P＝130，D＝3 000。

5　结束语
　　本文提出的位置伺服系统动态性能分析及在线调试已成功地应用于带负载动态性能分析和在线调试，大大缩短了数控机床伺服系统的调试周期，提高了伺服系统的运行性能，降低了生产成本。解决了数控机床伺服系统调试中存在的一大难题。