伺服运动控制器的调试方法研究

张明明 董佳文 吴德宝

摘 要 合理的参数设置是保证机床的加工精度、运行平稳性等基本性能的关键因素之一。本文主要是从伺服控制的基本原理出发，根据速度环增益设置、速度环积分时间常数设置、位置环增益设置、位置环积分时间常数设置的原则，探讨相关的调试方法。

关键词 伺服;控制器;调试

随着微控制器的快速发展，其应用已经遍及各个领域，如： 电机控制、工业自动化等。传统控制器中，单轴控制器和伺服驱动器采用分立的设计结构，系统成本高、通讯时延长、灵活性差。因此，嵌入式单轴控制器应运而生，它将单轴控制器和伺服驱动器结合在一起，解决了传统控制器的缺陷; 嵌入式单轴控制器的出现也对调试工具提出了新的要求，在对指令进行编辑编译的同时，也需要满足用户的实时调试的需求。

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器。伺服是跟能会响应滞后，反而延长定位时间，因此，当增大位置环增益随的意思，伺服电机是指电机依指令信号产生位置、速度或转时，首先需提高速度环增益。矩的跟随变化。小型交流伺服电机一般采用永磁同步电机作为2.1速度环增益设置动力源。伺服驱动器广泛应用于注塑机、纺织机械、包装速度环增益是决定速度环响应性的用户常数。在机械系统机械、数控机床等领域。以数字信号处理器为控制核心的伺服不出现振动的范围内，设定的值越大，响应性越好。驱动器已经成为市场的主流，它可以通过复杂的算法，来实现数字化、网络化以及智能化。通用交流伺服电机驱动器依据控制信号模式，分为三种类型：位置伺服、速度伺服、转矩伺服。其中最常用的为位置伺服控制。

1伺服控制的基本原理

随着控制技术的日益发展，对加工精度和速度响应的要求越来越高。对CNC发出的指令是否能快速响应，是否能适应不同的机械特性，是否能在追求性能的同时保证伺服控制的稳定性，都是需要考虑的问题。反馈控制指的是按照指令、比较、放大、作用、检出，比较的过程反复进行控制。

控制环是对输入指令值与反馈值的差值（偏差），乘以增益再进行输出。整个控制部分由内到外由三个反馈环组成（电流环、速度环、位置环），越是内侧的环，对响应性要求越高。如果不遵守该原则，则会产生响应性变差或产生振动，由于电流环厂家出厂时即保证了充分的响应性，因此只需要针对位置环及速度环进行调整[1]。

2伺服参数设置原则

一般说来，伺服参数的调整涉及系统端位置环参数和伺服端速度环参数，位置环参数包括位置环增益和位置环积分时间常数，速度环参数包括速度环增益和速度环积分时间常数。在参数设置时，由于速度环的响应性应高于位置环的响应性。

2.1 速度环积分时间常数设置

速度环积分时间常数可以使微小的输入也能响应。由于该积分因素对于伺服系统来说为延迟因素，因此时间常数过大时，会延长定位时间，使响应性变差。但当速度环积分时间常数设定过小，而机械系统负载惯量较大时，机床容易产生振动。

2.2 位置环增益设置

位置环增益很大程度上决定了伺服系统的响应性。位置环增益的设定值越大，则响应性越高，定位时间越短。为提高响应性，应增大位置环增益，但如果仅提高位置环增益，作为伺服系统整体的响应，容易产生振动（位置环输出的某些速度指令产生振动），位置环增益设定应考虑机械的刚性和固有振动频率。同时，如上所述，在增大位置环增益提高响应性时，还应注意相应提高速度环增益。

2.3 位置环积分时间常数设置

位置环积分时间常数决定位置环积分控制的响应性，值越小，响应越快，但是也越容易产生振动。所以，在避免振动的前提下应尽可能减小位置环积分时间参数[2]。

3伺服参数设置实例

下面以德国路斯特伺服和电机为对象，在电机空载情况下，通过路斯特伺服调试软件LTi Drive Manager，按照流程，对伺服各个参数进行调试，使伺服电机运行达到较理想的状态。

3.1 速度环调试

速度环参数设置包括速度环增益KP与速度环积分时间常数TN。每一组参数对应一条速度响应波形，波形横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示转速，单位为转每分钟。蓝颜色线条表示指令输出，绿颜色线条表示实际输出。KP影响的是响应和波形疏密度，TN影响的是响应后的精确度，经过输出波形的反复对比，选择参数KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms较为合适。图4为KP=0.006Nm/rpm、TN=45ms的输出波形图，此波形响应快，且稳定性好。

3.2 位置环调试

速度环参数设好以后，就可以开始位置环参数的调试了。位置环参数设置包括位置环增益KP与位置环积分时间常数TN。位置环增益可以先设一个比较小的值，然后按1/2的倍数增加，直到位置误差达到了最大值（空载）或是机床振动明显（带负载），最后按1/3减小，调到理想的值（位置误差小，跟随快）。每一组参数对应一幅波形。波形横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标左侧表示命令值和实际执行值，右侧表示为命令值和实际执行值之间的差值，单位为脉冲/转。绿颜色线条表示命令输出，蓝颜色线条描绘实际位置值，红颜色线条则显示了命令值和实际执行值之间的差值。经过波形的比对，选择参数KP=15000（1/min）、TN=0.15ms较为理想[3]。

4结束语

随着伺服系统的大规模应用，伺服电机的调试与维护显得越来越重要。本论文通过对路斯特伺服驱动器的参数反复调试研究，積累了伺服调试的一些具体经验，掌握了伺服驱动器调整的基本原则以及必要参数，以及调整后的效果。伺服调试是一项实践性的工作，需要不断地在实践中总结调试的方式方法，以便更好地为机床生产厂商及用户服务。

参考文献

[1] 陶波，龚泽宇，丁汉.机器人无标定视觉伺服控制研究进展[J].力学学报，2016，48（4）：767-783.

[2] 贾丙西，刘山，张凯祥，等.机器人视觉伺服研究进展：视觉系统与控制策略[J].自动化学报，2015，41（5）：861-873.

[3] 王军政，赵江波，汪首坤.电液伺服技术的发展与展望[J].液压与气动，2014，（5）：1-12.

作者简介

张明明（1982-），男，辽宁沈阳人;毕业院校：武汉大学，专业：计算机科学与技术，工学学士，工程师，现就职单位：沈阳和研科技有限公司，研究方向：电气自动化。