摘 要(Abstract) 介绍一种在交流位置伺服系统在线调试中应用系统动态性能分析方法的基本原理，给出了一种位置伺服系统动态响应曲线、动态性能分析及其主要技术指标的实例
关键词(Keywords) 位置伺服系统 动态性能分析 在线调试
交流三相永磁同步电动机由于其转矩惯性比大, 在接近于零的低速区仍能保持稳定的额定转矩等方面的卓越性能, 目前已取代直流电动机在精密的位置控制系统中得到普遍使用。但伺服系统带负载运行时存在一个系统与负载相匹配的问题。例如交流位置伺服系统被安装到机床上后, 其负载的大小和性质随设备而发生变化, 这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏, 使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行[2]。过去, 由于无法得到伺服系统在线带负载时的动态性能指标, 在数控机床的装配、调试过程中, 无法对系统进行动态性能分析, 仅凭经验由人工进行, 调试工作相当困难, 一般只能凭感觉调到机床运动部件“能动即可”为止, 这种调试很难使系统达到理想状态。因此虽然数控机床伺服系统本身有一套高精度的反馈信号测试装置和控制器，但安装在数控机床上的伺服系统却很难实现高速度、高精度位置控制的要求。据此, 我们结合交流位置伺服系统动态性能分析及在线调试技术研究课题研制了一套动态性能分析和交流位置伺服系统在线调试装置, 实现对伺服系统的在线调试。下面讨论通过交流位置伺服系统动态性能分析实现位置驱动在线调试的主要原理和作用。
交流位置伺服系统的动态性能及动态性能指标
交流位置伺服系统的动态性能也即系统在整个过渡过程中的性能, 一般可由系统在单位阶跃输入信号作用下的时间响应曲线来描述。一个可以运行的伺服系统其动态过程一定是衰减的, 例如图1所示的以衰减振荡的形式达到定位点。但精密位置伺服系统例如数控机床进给的控制要求更高, 它不允许有任何振荡和超调, 只能以如图2所示以单调变化的形式逐渐到达定位点。图1示出的常用的动态性能指标有: 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%。其中上升时间tr反映了系统的动态灵敏度和系统过渡过程的快速性; 调节时间ts又称过渡过程时间, 是衡量系统快速性的主要指标; 超调量σ%是反映在系统过度过程进行得是否平稳的指标[3][4]。图1和图2可看作采用不同阻尼比ξ的同一个二阶系统的时域响应的仿真结果，图1的阻尼比ξ小，则上升时间tr短、但超调量σ%不为, 由于有振荡, 调节时间ts也较长; 图2的阻尼比ξ增大了, 则上升时间tr变长、但可实现无超调, 调节时间ts可以较短。
图1 交流位置伺服系统的衰减振荡及动态性能指标
图2 交流位置伺服系统的单调变化动态过程
也可把交流位置伺服系统看作这样的一个二阶系统[1]。这是因为在位置控制中, 速度环的响应频率要比位置环的响应频率高得多, 故可把位置伺服系统中的永磁同步电动机速度伺服单元的数学模型等效为一个一阶传递函数
则接入位置调节器 后的交流位置伺服系统动态结构图如图3所示。
图3 带位置调节器的位置控制动态结构图
无超调的位置调节器一般采用比例型调节器, 即
式中，Ksv、Tsv分别是速度伺服单元的增益系数与等效的时间常数, 当速度环调节好以后, 这两个参数在位置环参数的调节中已成为常数, 所以阻尼比ξ的调节只是通过调节Kp实现的, 这时Kp就是唯一可调节的位置环参数。当Kp增大时，ξ减小。要使位置不超调, 应使ξ≥1。以上所述是数控机床位置调节器的基本原理。实际使用的位置调节器为了提高性能要复杂些, 例如按位置偏差的大小需设置不同的比例系数Kp。
从上面分析可知, 系统的动态性能指标与系统参数存在相互对应关系。在系统调试时, 完全可通过对系统动态性能的这些指标进行分析得到系统参数应调试的值, 从而通过系统的调节器参数的调节使其达到理想状态。
交流位置伺服系统动态性能与在线调试装置的实现
为了自动测试交流位置伺服系统的动态性能指标并实现在线调试, 我们设计研制了一套交流位置伺服系统动态性能分析和在线调试装置。其基本原理如图4所示。在这套装置中, 为了实现动态性能分析, 主要做了以下工作：
·一是要高速实时数据采集, 即测试带载系统的动态性能参数, 如实际速度、实际位置参数等, 并把它们保存起来;
·二是作图, 把这些参数用曲线形式表示出来, 如画成速度响应曲线、位置响应曲线等;
·三是求出系统的动态性能指标, 如: 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等。
图4 交流位置伺服系统动态性能分析及在线调试装置原理框图
从图4可以看出, 本装置中, 这三项工作可分别由下位机80C196KC和上位机IPC来完成。第一项工作是由下位机完成的: 在80C196KC的SWT0中断服务程序中一方面读取从编码器反馈所得的运动部件此刻的实际速度、位置信号, 另一方面把这些检测数据保存在单片机的外部存储器中。由于这个中断服务程序以每200μs中断一次的很高速率来采集实际位置和实际速度, 因此, 可在响应曲线中把伺服系统高速运行时的位置和速度微小变化都能反映出来。第二、三项工作都可以由上位机IPC来完成: 当伺服系统停止运行后, 通过通讯程序把下位机中保存的所采集的参数数据传送到上位机, 由画图程序把速度响应曲线和位置响应曲线等画出来, 最后用动态性能指标计算程序把上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等有关的动态性能指标和参数计算出来。
交流位置伺服系统的动态性能分析
在对位置伺服系统进行动态性能分析时，不同的动态响应曲线(例如位置响应曲线和速度响应曲线), 对动态性能指标的要求有很大的差别。
很多负载的位置响应曲线中上升时间tr和调节时间ts可以长一些, 但一定不能有超调, 即必须使超调量σ%＝0。例如数控机床对进给位置的精度要求很高, 控制刀架运动的位置伺服系统产生超调，那末被加工的另件就会被多切削了一部分, 另件极有可能报废。因此在调试位置环的调节器参数前, 分析位置响应曲线的动态性能指标时, 其重点是超调量σ%, 只有在保证位置响应曲线没有超调的情况下, 才再来考虑位置响应的快速性, 即再考虑把上升时间tr和调节时间ts适当调短。
速度响应曲线中, 当起动或加速时, 为了加快过渡过程, 输入信号为所允许的最大电压, 使上升时间tr和调节时间ts尽量短一些, 一般情况下, 允许速度有超调, 只要超调量σ%不超过一定的百分比即可,这种情况如图1的响应曲线所示。
结束语
使用这套动态性能分析及在线调试装置可以实现对位置伺服系统进行带载在线调试。我们调试的位置伺服系统为以90C196KC作位置控制器的SIEMENS的交流三相永磁同步电动机驱动装置SIMODRIVE, 负载为精密的磁粉制动器,这样可方便地根据需要调节负载转矩的大小。
图5 实测伺服系统速度响应曲线和位置响应曲线
图5反映的是点位控制在线调试结果的伺服系统实测的速度响应曲线和位置响应曲线。从这两条响应曲线可以看出:
·虽然速度响应有一定的超调(σ%≤40%)和存在减幅震荡(1次半), 但这些并不影响位置响应曲线的单调上升, 保证不产生超调;
·从位置响应曲线中可以进一步看出, 除减速段以外, 单位时间内的位移基本是均匀的, 并没有受转速超调的影响。只要机械结构允许, 这种起动时施加阶跃电压而产生允许的速度超调, 只有当减速时才施加有一定减速规律控制电压的控制方式不失为一种实用的位置控制方式。
这种控制方式的伺服系统经过该装置的动态性能分析和在线调试, 定位精度可以达到该系统能够达到的最高精度: 实测的定位误差最大值仅为编码器脉冲信号的1个跳变(采用2500线编码器时相应位移量可达1μm)。 另外, 通过动态性能分析和在线调试, 这套装置还可大大缩短伺服系统的调试周期, 可使几天才能调成的系统在短短的几十分钟内调成较理想的状态。
参考文献
[1] 严爱珍. 机床数控原理与系统. 北京: 机械工业出版社, 1999
[2] 李宏胜. 数控机床用伺服系统性能测试装置的研究. 组合机床与自动化加工技术, 2001(7): 31-33
[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京: 机械工业出版社, 2000
[4] 王子才. 控制系统设计手册. 北京: 国防工业出版社, 1993(end)
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