伺服在线惯量辨识研究结果.pdf

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1、伺服在线惯量辨识研究软件研发部：杨洪江QQ：80033885控制框图回顾国产90%仍然是三环控制架构日系伺服包括第四环个人观点：基于系统稳定性考虑任何一个伺服系统必然都是由三个控制环路构成的，最内电流环，往外速度环，最外位置环，相应的为了维持整个控制系统的稳定性，三个环路频宽必须满足以下条件：fffHz()posspdcur从稳定裕量考虑，内环频宽一般要比外环快4~5倍，这样才能保证在外界干扰、负载等变化等情况下，足以维持整个伺服系统稳定性，这个是显而易见的道理。那么如何保证在任何时候频宽都满足以上关系呢，这是今天我们要讨论的问题，为了回答这个问题，先从最内环——电

2、流环说起。电流环路也叫力矩环（叫力矩环也许物理意义更明确，提工加速度需要力）是整个伺服控制系统的最内环，它的任务的非常明确，通过矢量控制实现转矩电流的彻底解耦，完成速度环路交给它的转矩指令，以最快的速度无静差的跟踪这个指令，因此从描述中我们可以看到，电流环路实际上相对比较单纯，重点追求快！这也是伺服界在面对电流环追求的目标，关于如何提升电流环响应速度也即频宽，不是今天讨论的重点。一般来说电流环路的参数只和电机本身有关系，间接的和电气时间常数有关联，一旦电机确定，那么电流环路特性在任何时候都已确定，这些参数在伺服出厂时已经调节到最佳状态，90%的伺服厂家都不会在功能码里面

3、公开电流环性能参数，国外如此，国内亦如此。在这强调下，电流环和机械系统负载没有任何关系，之所以要强调这句话，是因为今天讨论的主角——惯量，它如同一座桥梁连接着伺服系统与机械负载，分清谁和它有关联，可以帮助我们找到问题的关键。好了，假设我们的电流环路已经调节到最佳状态，它的截止频率为fHz()，我们刚才cur说过频宽在出厂后是不会在变化的，也就是说它已经成了一个常数。那好，接下来分析下速度环。简化后的电流环可以看成是一个简单的一阶延迟环节，速度环路的控制环路可以简化如下：速度电流控制系统Tl调节器-**rmiq1iqTe1Gss()1.5pnfrm+Tscq1

4、+Jspn-0Gs()sc图1电流环简化后的速度控制系统控制框图PI速度控制器传递函数为：KsiGs()K(1)ssps速度环开环传递函数为：0Ksi1KTGs()(K)(2)scspsTs1Jscq00Gs()的频率特性如图2所示，同时Gs()包含的三个传递函数的频率特性scsc也用虚线表示出来。Bd/益-40dB/dec增KsiKsps0Gs()-20dB/decsc20lgKsp0sc_Jsc_J1piscclg实际JT1cq变大KT实际J-40dB/decJs变小-20dB/dec(K/K,1/T)pisispccq图2速度

5、环开环频率特性从图中可以看出，iq控制系统的交叉频率c比PI速度控制系统的交叉角频率高出数倍以上，在角频率附近近似有：scscCGs()1(3)iq同时，PI转折点角频率pi为：KK/(4)pisisp当pi为sc的数分之一时，在sc附近有：Gs()K(5)ssp0通过上述分析表明，PI速度控制系统的开环传递函数Gssc()在交叉角频率sc的附近，可以近似表示为：0KTGscsKsp()(6)Js0在sc已知的情况下，根据

6、(Gj)

7、1scsc，即可求得比例增益Ksp：JscK(7)spKT另外，积分增益Ksi值可以根据PI转折角频率

8、pi满足关系：/5(8)pisc进一步：2JscK(9)si5KT实际伺服速度PI形式为：K1siGs()KKKK(10)sspspspiss则：1K(11)isc5设积分时间常数为，则：i5000()ms(12)isc取：5000()ms(13)isc从上面的公式可以看出，要想比较精确得到速度增益Ksp和速度积分增益Ki，要求得到系统惯量J，也就是说如果我们精确得到了系统惯量J，就可以按照上面的公式计算出Ksp，Ki完成了增益的自动调整，而惯量的获得可以采用离线的或者在线惯量辨识方法获得。事实上市面上的大多数伺服包括日系的三菱、法

9、拉克、松下，国产的台达、武汉迈信、南京埃斯顿等品牌伺服都是用以上方案关联惯量得到速度环参数。几乎一致的做法是先设定刚性值(三菱、松下A5提供32段刚性表，松下A4提供16段刚性表，埃斯顿提供16段刚性表，台达提供刚性值范围1到1000Hz可设，也叫速度频宽值)，然后通过离线(离线辨识或者正确计算负载惯量比后手动输入)或者在线的方法获得负载惯量比，由此实现速度环路增益的自动计算。关键问题：惯量变了会怎么样？公式(7)提供了快速估算速度增益的方法，假设用户正确得到了机械系统的初始负载惯量比J(离线辨识也好计算得到也好)，为什么是初始惯量比呢，