伺服系统调试之实战经验
运动控制
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发布时间：2020年12月18日 23:16
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收录时间：2020年12月18日 23:19
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作者：工控变频器学习
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来源：微信公众号
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（一）电机问题
(1)电动机窜动：在进给时出现窜动现象，测速信号不稳定，如编码器有裂纹;接线端子接触不良，如螺钉松动等;当窜动发生在由正方向运动与反方向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向问隙或伺服驱动增益过大所致;
(2) 电动机爬行：大多发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良，伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢;
(3)电动机振动：机床高速运行时，可能产生振动，这时就会产生过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以应寻找速度环问题;
(4)电动机转矩降低：伺服电动机从额定堵转转矩到高速运转时，发现转矩会突然降低，这时因为电动机绕组的散热损坏和机械部分发热引起的。高速时，电动机温升变大，因此，正确使用伺服电动机前一定要对电动机的负载进行验算;
(5) 电动机位置误差：当伺服轴运动超过位置允差范围时(KNDSD100出厂标准设置PA17：400，位置超差检测范围)，伺服驱动器就会出现“4”号位置超差报警。主要原因有：系统设定的允差范围小;伺服系统增益设置不当;位置检测装置有污染;进给传动链累计误差过大等;
(6)电动机不转：数控系统到伺服驱动器除了联结脉冲+方向信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24 V继电器线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：检查数控系统是否有脉冲信号输出;检查使能信号是否接通;通过液晶屏观测系统输入/出状态是否满足进给轴的起动条件;对带电磁制动器的伺服电动机确认制动已经打开;驱动器有故障;伺服电动机有故障;伺服电动机和滚珠丝杠联结联轴节失效或键脱开等。
（二）增益问题
伺服速度、位置增益参数关系及总的调试思路：
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）的反应速度最快，中间环节（速度环）的反应速度必须高于最外环（位置环）。如果不遵守此原则，将会造成电机运转的震动或反映不良。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能，故用户只需调整位置位置环、速度环的增益即可。
位置环的反应不能快于速度环的反应。因此，若需增加位置环的增益，必须先增加速度环的增益。如果只增加位置环的增益，电机很可能产生震动，从而将会造成速度指令及定位时间的增加，而非期望的减少。
速度环增益
增大速度环比例增益，则能降低转速脉动的变化量，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。但是在实际系统中，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。
速度环参数调节与负载惯量的关系
当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比较大，以及负载的摩擦转矩比较大时，宜增大速度环比例增益和速度环积分时间常数，以满足运行稳定性的要求。
当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比较小，以及负载的摩擦转矩较小时，宜减小速度环比例增益和速度换积分时间常数，保证低速运行时的速度控制精度。
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，电机速度对于位置指令响应的延时减小，位置跟踪误差愈小，定位所需时间越短，但要求对应的机械系统的刚性与自然频率也必须很高。而且当输入的位置突变时，其输出变化剧烈，机械负载要承受较大的冲击。此时，驱动器必须进行升降 速处理或通过上位机用编程措施来缓冲这种变化。
当伺服系统位置环增益相对较小时，调整起来比较方便，因为位置环增益小，伺服系统容易稳定，对大负载对象，调整要简单些。同时，低位置环增益的伺服系统频带叫窄，对噪音不敏感。因此，作为伺服进给用时，位置的微观变化小，但低位置环增益的伺服系统位置跟踪误差较大。
（三）惯量问题
伺服系统是机电产品中的重要环节，它能提供最高水平的动态响应和扭矩密度，所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。为了实现伺服电机的更好性能，就必须对伺服电机的一些使用特点有所了解。
1）惯性匹配
（1）在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，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具有合适惯量大小的电机;
（2）在调试时(手动模式下)，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前题，此点在要求高速高精度的系统上表现由为突出(台达伺服惯量比参数为1-37，JL/JM)。这样，就有了惯量匹配的问题!那到底什么是“惯量匹配”呢?
（a）根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T=系统传动惯量J×角加速度θ
角加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。
（b）进给轴的总惯量“J=伺服电机的旋转惯性动量JM+电机轴换算的负载惯性动量JL
负载惯量JL由(以工具机为例)工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。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。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。
2）惯量匹配具体有什么影响，又如何确定呢?
（1）影响：
传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，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）确定：
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，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。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中心机通过伺服电机作高速切削时，当负载惯量增加时，会发生：
(a)控制指令改变时，马达需花费较多时间才能达到新指令的速度要求;
(b)当机台沿二轴执行弧式曲线快速切削时，会发生较大误差：
①一般伺服电机通常状况下，当JL≦JM，则上面的问题不会发生
②当JL=3×JM，则马达的可控性会些微降低，但对平常的金属切削不会有影响。(高速曲线切削一般建议JL≦JM)
③当JL≧3×JM，马达的可控性会明显下降，在高速曲线切削时表现突出
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。
3）伺服电机选型
在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。
(1)选型条件 — 一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况：
● 马达最大转速>系统所需之最高移动转速;
● 马达的转子惯量与负载惯量相匹配;
● 连续负载工作扭力≦马达额定扭力;
● 马达最大输出扭力>系统所需最大扭力(加速时扭力)。
(2)选型计算：
● 惯量匹配计算(JL/JM)
● 回转速度计算(负载端转速，马达端转速)
● 负载扭矩计算(连续负载工作扭矩，加速时扭矩)
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