交流位置伺服系統與動態性能的在線調試裝置
 

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

交流位置伺服系統的動態性能及動態性能指標

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

圖2 交流位置伺服系統的單調變化動態過程

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

則接入位置調節器后的交流位置伺服系統動態結構圖如圖3所示。
 
圖3 帶位置調節器的位置控制動態結構圖

無超調的位置調節器一般采用比例型調節器, 即

式中，Ksv、Tsv分別是速度伺服單元的增益系數與等效的時間常數, 當速度環調節好以后, 這兩個參數在位置環參數的調節中已成為常數, 所以阻尼比ξ的調節只是通過調節Kp實現的, 這時Kp就是*可調節的位置環參數。當Kp增大時，ξ減小。要使位置不超調, 應使ξ≥1。以上所述是數控機床位置調節器的基本原理。實際使用的位置調節器為了提高性能要復雜些, 例如按位置偏差的大小需設置不同的比例系數Kp。

從上面分析可知, 系統的動態性能指標與系統參數存在相互對應關系。在系統調試時, *可通過對系統動態性能的這些指標進行分析得到系統參數應調試的值, 從而通過系統的調節器參數的調節使其達到理想狀態。

交流位置伺服系統動態性能與在線調試裝置的實現

為了自動測試交流位置伺服系統的動態性能指標并實現在線調試, 我們設計研制了一套交流位置伺服系統動態性能分析和在線調試裝置。其基本原理如圖4所示。在這套裝置中, 為了實現動態性能分析, 主要做了以下工作：

·一是要高速實時數據采集, 即測試帶載系統的動態性能參數, 如實際速度、實際位置參數等, 并把它們保存起來;
·二是作圖, 把這些參數用曲線形式表示出來, 如畫成速度響應曲線、位置響應曲線等;
·三是求出系統的動態性能指標, 如: 上升時間tr、調節時間ts和超調量σ%等。
 
圖4 交流位置伺服系統動態性能分析及在線調試裝置原理框圖

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據保存在單片機的外部存儲器中。由于這個中斷服務程序以每200μs中斷一次的很高速率來采集實際位置和實際速度, 因此, 可在響應曲線中把伺服系統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: 當伺服系統停止運行后, 通過通訊程序把下位機中保存的所采集的參數數據傳送到上位機, 由畫圖程序把速度響應曲線和位置響應曲線等畫出來, zui后用動態性能指標計算程序把上升時間tr、調節時間ts和超調量σ%等有關的動態性能指標和參數計算出來。

交流位置伺服系統的動態性能分析

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

很多負載的位置響應曲線中上升時間tr和調節時間ts可以長一些, 但一定不能有超調, 即必須使超調量σ%＝0。例如數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產生超調，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。因此在調試位置環的調節器參數前, 分析位置響應曲線的動態性能指標時, 其重點是超調量σ%, 只有在保證位置響應曲線沒有超調的情況下, 才再來考慮位置響應的快速性, 即再考慮把上升時間tr和調節時間ts適當調短。

速度響應曲線中, 當起動或加速時, 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和調節時間ts盡量短一些, 一般情況下, 允許速度有超調, 只要超調量σ%不超過一定的百分比即可,這種情況如圖1的響應曲線所示。

結束語

使用這套動態性能分析及在線調試裝置可以實現對位置伺服系統進行帶載在線調試。我們調試的位置伺服系統為以90C196KC作位置控制器的SIEMENS的交流三相永磁同步電動機驅動裝置SIMODRIVE, 負載為精密的磁粉制動器,這樣可方便地根據需要調節負載轉矩的大小。
 
圖5 實測伺服系統速度響應曲線和位置響應曲線

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

·從位置響應曲線中可以進一步看出, 除減速段以外, 單位時間內的位移基本是均勻的, 并沒有受轉速超調的影響。只要機械結構允許, 這種起動時施加階躍電壓而產生允許的速度超調, 只有當減速時才施加有一定減速規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經過該裝置的動態性能分析和在線調試, 定位精度可以達到該系統能夠達到的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線編碼器時相應位移量可達1μm）。 另外, 通過動態性能分析和在線調試, 這套裝置還可大大縮短伺服系統的調試周期, 可使幾天才能調成的系統在短短的幾十分鐘內調成較理想的狀態。