交流位置伺服系統(tǒng)與動態(tài)性能的在線調(diào)試裝置
 

交流三相永磁同步電動機由于其轉(zhuǎn)矩慣性比大, 在接近于零的低速區(qū)仍能保持穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)矩等方面的性能, 目前已取代直流電動機在精密的位置控制系統(tǒng)中得到普遍使用。但伺服系統(tǒng)帶負載運行時存在一個系統(tǒng)與負載相匹配的問題。例如交流位置伺服系統(tǒng)被安裝到機床上后, 其負載的大小和性質(zhì)隨設(shè)備而發(fā)生變化, 這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動態(tài)性能變壞, 使運動出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運行[2]。過去, 由于無法得到伺服系統(tǒng)在線帶負載時的動態(tài)性能指標(biāo), 在數(shù)控機床的裝配、調(diào)試過程中, 無法對系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析, 僅憑經(jīng)驗由人工進行, 調(diào)試工作相當(dāng)困難, 一般只能憑感覺調(diào)到機床運動部件“能動即可”為止, 這種調(diào)試很難使系統(tǒng)達到理想狀態(tài)。因此雖然數(shù)控機床伺服系統(tǒng)本身有一套高精度的反饋信號測試裝置和控制器，但安裝在數(shù)控機床上的伺服系統(tǒng)卻很難實現(xiàn)高速度、高精度位置控制的要求。據(jù)此, 我們結(jié)合交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析及在線調(diào)試技術(shù)研究課題研制了一套動態(tài)性能分析和交流位置伺服系統(tǒng)在線調(diào)試裝置, 實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的在線調(diào)試。下面討論通過交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析實現(xiàn)位置驅(qū)動在線調(diào)試的主要原理和作用。

交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能及動態(tài)性能指標(biāo)

交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能也即系統(tǒng)在整個過渡過程中的性能, 一般可由系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用下的時間響應(yīng)曲線來描述。一個可以運行的伺服系統(tǒng)其動態(tài)過程一定是衰減的, 例如圖1所示的以衰減振蕩的形式達到定位點。但精密位置伺服系統(tǒng)例如數(shù)控機床進給的控制要求更高, 它不允許有任何振蕩和超調(diào), 只能以如圖2所示以單調(diào)變化的形式逐漸到達定位點。圖1示出的常用的動態(tài)性能指標(biāo)有: 上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ%。其中上升時間tr反映了系統(tǒng)的動態(tài)靈敏度和系統(tǒng)過渡過程的快速性; 調(diào)節(jié)時間ts又稱過渡過程時間, 是衡量系統(tǒng)快速性的主要指標(biāo); 超調(diào)量σ%是反映在系統(tǒng)過度過程進行得是否平穩(wěn)的指標(biāo)[3][4]。圖1和圖2可看作采用不同阻尼比ξ的同一個二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)的仿真結(jié)果，圖1的阻尼比ξ小，則上升時間tr短、但超調(diào)量σ%不為, 由于有振蕩, 調(diào)節(jié)時間ts也較長; 圖2的阻尼比ξ增大了, 則上升時間tr變長、但可實現(xiàn)無超調(diào), 調(diào)節(jié)時間ts可以較短。
 
圖1 交流位置伺服系統(tǒng)的衰減振蕩及動態(tài)性能指標(biāo)

圖2 交流位置伺服系統(tǒng)的單調(diào)變化動態(tài)過程

也可把交流位置伺服系統(tǒng)看作這樣的一個二階系統(tǒng)[1]。這是因為在位置控制中, 速度環(huán)的響應(yīng)頻率要比位置環(huán)的響應(yīng)頻率高得多, 故可把位置伺服系統(tǒng)中的永磁同步電動機速度伺服單元的數(shù)學(xué)模型等效為一個一階傳遞函數(shù)

則接入位置調(diào)節(jié)器后的交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
 
圖3 帶位置調(diào)節(jié)器的位置控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

無超調(diào)的位置調(diào)節(jié)器一般采用比例型調(diào)節(jié)器, 即

式中，Ksv、Tsv分別是速度伺服單元的增益系數(shù)與等效的時間常數(shù), 當(dāng)速度環(huán)調(diào)節(jié)好以后, 這兩個參數(shù)在位置環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)中已成為常數(shù), 所以阻尼比ξ的調(diào)節(jié)只是通過調(diào)節(jié)Kp實現(xiàn)的, 這時Kp就是*可調(diào)節(jié)的位置環(huán)參數(shù)。當(dāng)Kp增大時，ξ減小。要使位置不超調(diào), 應(yīng)使ξ≥1。以上所述是數(shù)控機床位置調(diào)節(jié)器的基本原理。實際使用的位置調(diào)節(jié)器為了提高性能要復(fù)雜些, 例如按位置偏差的大小需設(shè)置不同的比例系數(shù)Kp。

從上面分析可知, 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)存在相互對應(yīng)關(guān)系。在系統(tǒng)調(diào)試時, *可通過對系統(tǒng)動態(tài)性能的這些指標(biāo)進行分析得到系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)調(diào)試的值, 從而通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)使其達到理想狀態(tài)。

交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能與在線調(diào)試裝置的實現(xiàn)

為了自動測試交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)并實現(xiàn)在線調(diào)試, 我們設(shè)計研制了一套交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析和在線調(diào)試裝置。其基本原理如圖4所示。在這套裝置中, 為了實現(xiàn)動態(tài)性能分析, 主要做了以下工作：

·一是要高速實時數(shù)據(jù)采集, 即測試帶載系統(tǒng)的動態(tài)性能參數(shù), 如實際速度、實際位置參數(shù)等, 并把它們保存起來;
·二是作圖, 把這些參數(shù)用曲線形式表示出來, 如畫成速度響應(yīng)曲線、位置響應(yīng)曲線等;
·三是求出系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo), 如: 上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ%等。
 
圖4 交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析及在線調(diào)試裝置原理框圖

從圖4可以看出, 本裝置中, 這三項工作可分別由下位機80C196KC和上位機IPC來完成。*項工作是由下位機完成的: 在80C196KC的SWT0中斷服務(wù)程序中一方面讀取從編碼器反饋所得的運動部件此刻的實際速度、位置信號, 另一方面把這些檢測數(shù)據(jù)保存在單片機的外部存儲器中。由于這個中斷服務(wù)程序以每200μs中斷一次的很高速率來采集實際位置和實際速度, 因此, 可在響應(yīng)曲線中把伺服系統(tǒng)高速運行時的位置和速度微小變化都能反映出來。第二、三項工作都可以由上位機IPC來完成: 當(dāng)伺服系統(tǒng)停止運行后, 通過通訊程序把下位機中保存的所采集的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到上位機, 由畫圖程序把速度響應(yīng)曲線和位置響應(yīng)曲線等畫出來, zui后用動態(tài)性能指標(biāo)計算程序把上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ%等有關(guān)的動態(tài)性能指標(biāo)和參數(shù)計算出來。

交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能分析

在對位置伺服系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析時，不同的動態(tài)響應(yīng)曲線（例如位置響應(yīng)曲線和速度響應(yīng)曲線）, 對動態(tài)性能指標(biāo)的要求有很大的差別。

很多負載的位置響應(yīng)曲線中上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts可以長一些, 但一定不能有超調(diào), 即必須使超調(diào)量σ%＝0。例如數(shù)控機床對進給位置的精度要求很高, 控制刀架運動的位置伺服系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，那末被加工的另件就會被多切削了一部分, 另件極有可能報廢。因此在調(diào)試位置環(huán)的調(diào)節(jié)器參數(shù)前, 分析位置響應(yīng)曲線的動態(tài)性能指標(biāo)時, 其重點是超調(diào)量σ%, 只有在保證位置響應(yīng)曲線沒有超調(diào)的情況下, 才再來考慮位置響應(yīng)的快速性, 即再考慮把上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts適當(dāng)調(diào)短。

速度響應(yīng)曲線中, 當(dāng)起動或加速時, 為了加快過渡過程, 輸入信號為所允許的zui大電壓, 使上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts盡量短一些, 一般情況下, 允許速度有超調(diào), 只要超調(diào)量σ%不超過一定的百分比即可,這種情況如圖1的響應(yīng)曲線所示。

結(jié)束語

使用這套動態(tài)性能分析及在線調(diào)試裝置可以實現(xiàn)對位置伺服系統(tǒng)進行帶載在線調(diào)試。我們調(diào)試的位置伺服系統(tǒng)為以90C196KC作位置控制器的SIEMENS的交流三相永磁同步電動機驅(qū)動裝置SIMODRIVE, 負載為精密的磁粉制動器,這樣可方便地根據(jù)需要調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩的大小。
 
圖5 實測伺服系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線和位置響應(yīng)曲線

圖5反映的是點位控制在線調(diào)試結(jié)果的伺服系統(tǒng)實測的速度響應(yīng)曲線和位置響應(yīng)曲線。從這兩條響應(yīng)曲線可以看出:
·雖然速度響應(yīng)有一定的超調(diào)（σ%≤40%）和存在減幅震蕩（1次半）, 但這些并不影響位置響應(yīng)曲線的單調(diào)上升, 保證不產(chǎn)生超調(diào);

·從位置響應(yīng)曲線中可以進一步看出, 除減速段以外, 單位時間內(nèi)的位移基本是均勻的, 并沒有受轉(zhuǎn)速超調(diào)的影響。只要機械結(jié)構(gòu)允許, 這種起動時施加階躍電壓而產(chǎn)生允許的速度超調(diào), 只有當(dāng)減速時才施加有一定減速規(guī)律控制電壓的控制方式不失為一種實用的位置控制方式。

這種控制方式的伺服系統(tǒng)經(jīng)過該裝置的動態(tài)性能分析和在線調(diào)試, 定位精度可以達到該系統(tǒng)能夠達到的zui高精度: 實測的定位誤差zui大值僅為編碼器脈沖信號的1個跳變（采用2500線編碼器時相應(yīng)位移量可達1μm）。 另外, 通過動態(tài)性能分析和在線調(diào)試, 這套裝置還可大大縮短伺服系統(tǒng)的調(diào)試周期, 可使幾天才能調(diào)成的系統(tǒng)在短短的幾十分鐘內(nèi)調(diào)成較理想的狀態(tài)。