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伺服系统应用得心应手

作者:Frank J. Bartos, P.E., Control Engineering 特约编辑2007.05.15阅读 16976

  电气式伺服系统能够实现先进且精确的运动控制,因此越来越频繁地出现于多种工业级应用中。尤其在两种特殊的工作方式下,伺服系统性能奇佳,即快速点对点负载定位和各点之间平滑精确轨迹(包罗线)控制。
  伺服运动系统作为一项成熟的技术,具有一个明显的特点:它拥有一套优选设计方案体系并附有应用指导控制工程网版权所有,这为终端用户提供非常有价值的应用技巧以帮助他们完善系统。这些应用技巧涵盖了方方面面,从各种实战经验(包括惯性负载、合理接地屏蔽、电机的冷却等)到各类高级伺服整定算法,不一而足。其中特别提到了整定算法的应用技巧,因为伺服运动系统需要得到精确的整定以确保该系统能达到最高的精度及要求的动态特性。

图1伺服运动系统所具备的高度动态的能力很好地满足多种应用需求例如CNC磨床例如柴油输入泵汽缸盖的内外部移动就是采用Rexroth数…
图1:伺服运动系统所具备的高度动态的能力很好地满足多种应用需求,
例如CNC磨床。例如柴油输入泵汽缸盖的内外部移动就是采用Rexroth
数字伺服控制。

  灵活利用应用技巧,成功缔造伺服系统。着眼于整个系统才能拥有合理的开局。
  成套购买
  Danaher Motion公司伺服技术总工程师George Ellis先生建议成套购买伺服系统,包括运动控制器、驱动和伺服电机等,因为这样能够避免如连线、配置、通信等方面的
问题。单独购买各部件的所带来的一个问题就是连接顺序的复杂化,电机、驱动终端和反馈设备(包括编码器、分解器、霍耳传感器等)可以有多种不同的连接次序。George Ellis先生还指出随便更换电线很可能会造成电机停转或失控。同样地,驱动或控制器里有许多配置参数,只要其中一个出错就会导致整个系统运行不良,而(用户)还找不到明显的原因。而采用同一供应商的电机和驱动还有一个好处就是能更好的安装、调试软件,并确保其兼容性。
  Control Engineering 产品研究调查报告对系统分析调查中发现,在某些个案中也可以单独购买伺服系统各部件。最新一次调查(2006年3月)表明71%的用户购买配套伺服驱动和电机,而另有12%的用户分别购买这些部件。Ellis先生补充说到成套购买伺服系统各部件能够确保系统运行更好、效率更高。
  整定的重要性
  “整定就是指设置若干增益系数(一般来说设置3到5个),使系统能够排除多余干扰产生迅速而稳定的响应的一个过程。”Ellis先生如是说。然而,整定伺服系统常常令人晕头转向,倒不是说整定有多复杂,而是这一过程要涉及一些陌生的理论。Ellis先生建议千万不要盲目进行整定,不要以为随随便便调整增益就能获得理想的响应。没有合理的整定方案,增益设置很可能会失控。他补充说伺服部件供应商会为用户提供整定程序,帮助用户整定系统,这样用户无需掌握高深的控制理论。
  Baldor Electric公司伺服产品经理John Mazurkiewicz先生解释说现今伺服控制分为人工整定与自动整定。经验老道的工程师通常会使用人工整定,尽管这可能要花更多的时间。而使用自动整定时,他建议先进行无负载试运行,在用户熟悉控制操作、负载情况与负载位置后控制工程网版权所有,再加入负载进行整定。一般的控制系统能够自动整定电流环和速率环,而Baldor推出的控制系统与众不同,它可以进行位置环整定,简化安装。整个自动整定过程只需10分钟就可大功告成。
  前馈
  仅仅依靠PID整定,伺服系统无法对大惯性负载进行精确加速和定位,在这样的情况下B&R Industrial Automation 公司建议(用户)可以考虑使用电流前馈的方法。这种方法也叫做惯性前馈法(IFF),通常还使用于以下一些情况:系统采用软驱动链(比如带有传输带或是长轴),间隙过大、需要高度摩擦、悬挂的负载,或者是带有凸轮弹簧装置的负载等。
  “电流前馈法不像PID控制环产生必要的转矩,而是驱动每隔一段时间计算出适当的电流。”,B&R Industrial Automation公司运动控制专家Markus Sandhoefner先生说到,“为确保系统效率,电流前馈必须在驱动内部进行实时计算。电流进行前馈同时PID照旧进行整定www.cechina.cn,只不过不需要整定到最高的精度。”
  所有的PID控制回路都会引入延迟误差CONTROL ENGINEERING China版权所有,而IFF却恰恰相反。IFF能够显著地减少延迟误差(见惯性前馈图),有效地处理惯性较大的负载和其他复杂的负载。B&R公司将惯性前馈整定定为一个标准的面向用户的功能www.cechina.cn,并在Acopos系列伺服控制器中提供此功能。

图2B&RIndustrialAutomation的伺服控制器提供惯性前馈整定(IFF)在高难度整定应用中能够有效地降低延时误差提高转矩运作确保运动…
图2:B&R IndustrialAutomation的伺服控制器提供惯性前馈整定(IFF),
在高难度整定应用中能够有效地降低延时误差提高转矩运作,
确保运动轴快速定位,定位时间比原来缩减一半。

  成熟的整定工具
  GE Fanuc Automation公司伺服产品经理Paul Webster先生指出现在有很多伺服整定技术。而通常机床用户只要将默认参数载入伺服控制系统,而不按照具体情况进行整定。
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