松下伺服马达增益调试PPT课件.pptx

松下伺服增益调试邢金龙 2 目录 前言伺服马达参数设置方法松下伺服参数自整定调试松下伺服参数手动调试波形仿真和实例演示 前言 3 4 前言伺服马达介绍 定义 伺服马达 servomotor 是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机 是一种补助马达间接变速装置 伺服马达可使控制速度 位置精度非常准确 可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象 伺服马达 动力线 编码器线 工作原理 伺服系统是使物体的位置 方位 状态等输出被控量能够跟随输入目标 或给定值 的任意变化的自动控制系统 伺服主要靠脉冲来定位 基本上可以这样理解 伺服电机接收到1个脉冲 就会旋转1个脉冲对应的角度 从而实现位移 因为 伺服电机本身具备发出脉冲的功能 所以伺服电机每旋转一个角度 都会发出对应数量的脉冲 这样 和伺服电机接受的脉冲形成了呼应 或者叫闭环 如此一来 系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机 同时又收了多少脉冲回来 这样 就能够很精确的控制电机的转动 从而实现精确的定位 可以达到0 001mm 直流伺服电机分为有刷和无刷电机 有刷电机成本低 结构简单 启动转矩大 调速范围宽 控制容易 需要维护 但维护不方便 换碳刷 产生电磁干扰 对环境有要求 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合 5 前言伺服马达优缺点 首先我们来看一下伺服马达和其他电机 如步进电机 相比到底有什么优点 精度 实现了位置 速度和力矩的闭环控制 克服了步进电机失步的问题 转速 高速性能好 一般额定转速能达到2000 3000转 适应性 抗过载能力强 能承受三倍于额定转矩的负载 对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用 稳定 低速运行平稳 低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象 适用于有高速响应要求的场合 及时性 电机加减速的动态相应时间短 一般在几十毫秒之内 舒适性 发热和噪音明显降低 简单点说就是 我们平常看到的那种普通的电机 断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿 然后停下 而伺服电机和步进电机是说停就停 说走就走 反应极快 但步进电机存在失步现象 但伺服马达成本较高 都需要伺服控制器去驱动马达转动 在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机 所以 在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求 成本等多方面的因素 选用适当的控制电机 6 前言伺服马达应用领域 伺服马达应用的领域十分广泛 基本上只要是有动力源的 而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服马达 如机床 印刷设备 包装设备 纺织设备 激光加工设备 机器人 自动化生产线等对工艺精度 加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备 汽车行业 手机行业 医疗行业 食品行业 建筑行业 服装行业 7 前言常用一些伺服马达 目前国内一般比较通用的伺服电机无非是日产与台产及国产的伺服马达日产 松下 三菱 安川 富士 三洋等 台产 台达 东元国产 汇川等 日产 松下 三菱 富士 安川 三洋 台达 东元 台产 国产 汇川 伺服驱动器参数设置方法 8 9 一 伺服驱动器参数设置方法 一 伺服驱动器的参数调整理论基础伺服驱动器包括三个反馈环节 位置环 速度环以及电流环 最内环 电流环 的反应速度最快 中间环节 速度环 的反应速度必须高于最外环 位置环 如果不遵守此原则 将会造成电机运转的震动或反应不良 伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能 故用户只需调整位置环与速度环的增益即可 通常来说 要求位置环的反应不能快于速度环的反应 因此 若要增加位置环的增益 必须先增加速度环的增益 如果只增加位置环的增益 电机很可能产生震动 从而将会造成速度指令及定位时间的增加 而非期望的减少 如果位置环反应比速度环反应还快 由于速度环反应相对较慢 速度环的输出变化无法跟上位置环输出的速度指令的变化 因此就无法达到平滑的线性加速或减速 而且 位置环会继续累计脉冲偏差 从而增加速度指令 这样 电机速度会超过给定值 然后位置环会尝试减少速度指令输出量 这样又会导致速度环反应会变得很差 电机将赶不上速度指令 整个速度会振动 如果发生这种情形 就必须减少位置环增益 或增加速度环增益 以防止速度指令振动 位置环增益不可超过机械系统的自然频率 否则会产生较大的振荡 当整个系统需要很快的反应时 仅仅确保采用的伺服系统 控制器 伺服驱动器 电机以及编码器 的快速反应是不够的 还必须要确保其控制的机械系统也具有较高的刚性 这样才能使得整个系统具有较好的刚性 10 一 伺服驱动器参数设置方法 二 伺服驱动器关键参数的调整原则速度环增益 KVP 主要用来决定速度环的反应速度 在机械系统不震动的前提下 参数设定的值愈大 反应速度就会增加 在确保负载惯量比的设定值处于允许范围的条件下 速度环的增益设置就可以达到设计时允许的数值范围 从而确保速度环的快速反应 增大速度环的比例增益 则能降低转速脉动的变化量 提高伺服驱动系统的硬度 保证系统稳态及瞬态运行时的性能 但是在实际系统中 速度环比例增益不能过大 否则将引起整个伺服驱动系统振荡 速度环积分时间常数 KVI 速度环的积分作用可以减小电机速度的脉动 但积分作用也会延迟伺服驱动器的反应 速度环积分对速度跟踪位置指令的影响不是很大 但过大的速度环积分时间会延迟速度环的反应时间 因此 时间常数增加时 驱动器的反应时间变慢 从而所需的定位时间就愈长 当负载惯量很大 或者机械系统很可能出现震动时 必须增大速度环积分时间常数 否则机械系统将很可能出现震动 设置时可参考如下进行 Ti 积分时间参数 s Kv 速度环增益 HZ 11 一 伺服驱动器参数设置方法 速度环参数调节与负载惯量的关系当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比增大以及负载的摩擦转矩增大时 宜增大速度环比例增益和积分时间常数 以满足运行稳定性的要求 当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比减小以及负载的摩擦转矩减小时 宜减小速度环比例增益和积分时间常数 保证低速运行时的速度控制精度 位置环增益 KPP 位置环增益是交流伺服系统的基本指标之一 它与伺服电机以及机械负载有着密切的联系 通常伺服系统的位置环增益越高 电机速度对于位置指令响应的延时减少 位置跟踪误差愈小 定位所需时间越短 但要求对应的机械系统的刚性与自然频率也必须很高 而且当输入的位置量突变时 其输出变化剧烈 机械负载要承受较大的冲击 此时 驱动器必须进行升降速处理或通过上位机用编程措施来缓冲这种变化 当伺服系统位置环增益相对较小时 调整起来比较方便 因为位置环增益小 伺服系统容易稳定 对大负载对象 调整要简单些 同时 低位置环增益的伺服系统频带较窄 对噪音不敏感 因此 作为伺服进给用时 位置的微观变化小 但低位置环增益的伺服系统位置跟踪误差较大 进行轮廓加工时 会在轨迹上形成加工误差 转矩指令滤波时间常数机械系统在某些情况下可能会出现转矩共振现象 产生尖锐的振动噪音 通过增加转矩指令滤波时间常数可减弱或停止此振动噪音 但是此参数与积分时间常数一样 都会对系统反应造成延迟 因此 不可将此参数的值设得太大 松下伺服参数自整定调试 12 13 二 松下伺服参数自整定调试 一 简述 因松下在目前市场比较常用 而且公司用的也比较多 所以主要以松下的增益调试来进行举例说明 二 参数调试的目的 对于来自上位系统的指令 驱动器需尽可能无延迟且精准的按指令要求驱动马达 为使马达动作更接近指令 最大限度的发挥机械性能 从而进行马达的增益调整 举例看图说明一下增益的重要性 如下图所示 当位置增益设置值较低时 实际速度会比较软和指令速度存在较大的偏差 当速度增益设置值较大时实际速度可以达到指令速度 但是存在时间的偏差 但要加上前馈的设定 实际速度和指令速度基本接近重合 极大的降低了运动过程中的误差 滚珠丝杆马达波形曲线 14 二 松下伺服参数自整定调试 下图是参数调试流程图 马达调试参数流程框图 15 二 松下伺服参数自整定调试 三 实时自动增益调整概要实时推断机器的负载特性 并从该结果自动进行对应刚性参数的基本增益设定和摩擦补偿 注意事项在一些条件下 实时自动增益可能无法正常动作 这种情况 请变更负载条件 动作模式或进行手动增益调整 下述条件是阻碍实时自动增益动作调整的条件 负载惯量 比旋转惯量小或大时 3倍以下或20倍以上 负载变量变化快 负载 机械刚性极低时或者存在游隙等非线型性特性时 动作模式 速度不足100r min和连续低速使用时加减速在1s2000r min以下的和缓状态加减速扭矩小于偏加重 粘性摩擦扭矩时 速度为100r min以上 加减速在1s2000r min以上的条件不能持续50ms时 16 二 松下伺服参数自整定调试 用松下伺服调试软件PANATERM自整定的步骤和方法打开伺服调试软件PANATERMver6 0进入界面 通过USB与驱动器连接 17 二 松下伺服参数自整定调试 通过USB与驱动器连接 点击OK进入选择驱动器和电机的型号界面 18 二 松下伺服参数自整定调试 选择完成型号后进入界面点击右上角适合增益进入自动增益调试界面 适合增益按钮 19 二 松下伺服参数自整定调试 设定参数 点击 其他设定 根据实际负载设定一个起始调试参数 点击下一步 其他设定按钮 20 二 松下伺服参数自整定调试 进入驱动模式选择界面 这时需要对马达进行试运行 让马达进行自动动作 试运行按钮 21 二 松下伺服参数自整定调试 打开试运行界面 进行调节先打开伺服 把自动设定取消 把过速度等级等级设定和过载等级设定设置为0 这样可以避免马达的报警 再把伺服开启按钮打开 是伺服处于励磁状态 点击JOG按钮 左右运动马达使MAX和MIN都有数值 MAX和MIN绝对值相加尽量大一些 10000 对马达参数调试更准确一些 点击试运转按钮 伺服开启两个按钮 JOG按钮 运动最大脉冲和最小脉冲 试运转按钮 二 松下伺服参数自整定调试 进入试运转画面设置速度 加减速时间还有移动量等参数 勾选连续STEP 点击STEP按钮下方 正负按钮 使马达进行运转 这时再返回适合增益画面 运行参数设置 马达连续运行 22 二 松下伺服参数自整定调试 进此时适合增益画面显示适合增益准备完成 这时点击下一步 显示适合增益准备完成 23 二 松下伺服参数自整定调试 进点击执行适合增益 这时马达就会自动调整马达的增益参数 24 二 松下伺服参数自整定调试 进当弹出测试完成对话框时 代表增益已经自整定完成 确定后点击下一步 25 二 松下伺服参数自整定调试 松下伺服刚性调节 Pr0 03 松下伺服可以设置刚性 调节刚性可自动调节增益的参数 下表表示A5调节刚性所对应的增益 26 松下伺服参数手动调试 27 三 松下伺服参数手动调试 松下伺服调试虽然具有自动调整增益功能 但由于受到负载条件等制约 即使进行自动增益调整也无法较好地调整增益 或者相应各负载须使之发挥最佳应答性 稳定性时 这个时候就需要手动调整去配合调试最佳的参数 松下手动调试步骤相对来说比较简单对照右图 首先在马达不起振的情况下增大速度环增益 然后增大位置环 设定不起振的位置环增益 必要时设定积分时间常数 以缩短定位时间 最后进行微调整 分别对位置环增益与速度积分时间常数进行微调整 需要注意的是 在调整参数之前要把设定实时调整 Pr0 02 设置为0 也就是无效 最好把第二增益 Pr1 14 设置为0 也就是无效 调节时马达运动的速度最好设置额定转速 可以观看马达能否达到最大速度 同理加减速时间尽量设置小一点 保证加速度大一些 28 三 松下伺服参数手动调试 一 速度环增益的设定调试步骤影响速度响应能力的参数 停止时 用手对联轴器加以外力 稍微提高速度环增益 每次加30左右 直到由于扰动伺服发生震荡马上结束的值 调试时 通过手的感觉来判断最好 但不可行的时候也可通过转矩以及声音来判断 然后让电机运转 确认在运行中无震荡现象 在不施加外力的情况下 一边反复使机械运行 停止 一边视转矩及声音而定 最终的速度环增益的设定值 考虑到机械的个体差异以及年久的变化 应当减小10 程度设定 调试目标如果负载的惯量比设定正确的情况下高刚性200以上低刚性100以上参数过大过小影响数值设置太高 与速度环积分时间太小的影响一样 速度环增益的提高同样破坏了系统稳定性 电机速度波动加剧 故两者的调整必须保持协调 增大速度环增益的同时应该增加速度环积分时间 否则伺服系统会振荡 数值设置太低 速度环增益太低也会导致电机速度出现波动 比较速度增益过高的情形可知 此时电机速度的波动频率更低 这充分表明了速度环增益的提高使系统的工作频率得到了提高 控制系统的快速响应性能好 能更有效地克服干扰作用的影响 此外 当速度环增益远小于位置环增益时 伺服的稳定性也会被破坏 电机速度在运行过程中也会不断地波动 一般情况下尽量保证速度环增益大于位置环增益 29 三 松下伺服参数手动调试 二 速度时间积分常数的设定调试步骤位置偏差小的时候结束的很快的关系 一般在10 300的范围内进行设定 调试目标如果负载的惯量比设定正确的情况下高刚性机械30以下低刚性机械和怕振动机械50 300参数过大过小影响数值设置太高 速度环积分对速度跟踪位置指令的影响不是很大 但过大的速度环积分时间会延迟速度回路的反应时间 数值设置太低 速度环积分时间太短 破坏了速度回路的稳定性 电机速度的波动增加 伺服变得不稳定 运行中可伴有尖锐的震动噪音 也会影响COIN信号的输出 参数判断用速度 位置偏差确认 想加快整定的场合 一边用位置偏差确认 一边考虑定位完成的幅值来调整 30 三 松下伺服参数手动调试 三 位置环增益的设定调试步骤与定位的迟滞有关 一般在速度增益的一半到2倍的范围内进行设定 调试目标如果负载的惯量比设定正确的情况下高刚性机械位置环增益 速度环增益 2左右低刚性机械位置环增益 速度环增益 1 2左右参数过大过小影响数值设置太高 在位置伺服系统中 调高位置增益虽然可以使得电机速度对于位置指令响应的延时减少 但位置环增益过高引起系统开环的总增益加大 易造成系统不稳定 可体现为电机速度波动有所加剧 数值设置太低 在伺服系统中 位置环的工作频率远比速度环要低 位置环增益过低时 系统难以抵消在速度响应过程中造成的位置偏差 从而导致电机的速度跟踪严重滞后于位置指令速度 也会影响COIN信号的输出 31 三 松下伺服参数手动调试 四 前馈的设定调试目标用于想快速定位的场合 目标通常30 程度 最大60 根据机械 设为100 也有可能 但位置偏差也有变为减的情况 参数过大过小影响设定值很大时 由于偏差变得非常小 有可能为减 有必要注意定位完成信号 五 转矩滤波器的设定调试目标转矩指令的一阶延时低通滤波器 设定单位为0 01ms 一般为300以下 对抑制机械的振动和噪音有效果 转矩的紊乱会导致机械的振动与噪音 高的K K 音的情况100程度低的咕 咕 音的情况200程度参数过大过小影响设定地过大的话 特别是300以上 因难以控制需注意截止频率fc 1 2 设定值 0 00001 例 设定值是100的情况fc 1 2 100 0 00001 159Hz 32 波形仿真和实例演示 33 四 波形仿真和实例演示 首先以松下100W马达进行仿真模拟波形 设定一个数值看下仿真图形效果速度 3000r min加速时间 50ms脉冲STEP 40000psl惯量比 13 速度环 30HZ位置环 40 1 s 速度积分时间 10ms前馈 30 由图中可以看见红线所示指令脉冲偏差比较大达到8000 而且位置指令 紫线 和实际速度 绿线 斜率和偏差较大 按照步骤调节马达参数 先增大速度环和适当增大积分常数还有位置环的增益参数 34 四 波形仿真和实例演示 增大速度环 积分时间 位置环再看下仿真图形效果速度 3000r min加速时间 50ms脉冲STEP 40000psl惯量比 13 速度环 100HZ位置环 150 1 s 速度积分时间 50ms前馈 30 由图中可以看见误差明显减小 位置指令和实际速度斜率几乎一样 马达效果明显增强 35 四 波形仿真和实例演示 再尝试增大速度环 积分时间 位置环 再看下仿真图形效果速度 3000r min加速时间 50ms脉冲STEP 40000psl惯量比 13 速度环 200HZ位置环 300 1