伺服增益参数简述及其调整

参考文献 [1] 颜嘉男. 伺服电机应用技术[M]. 第1版. 北京:科学出版社, 2010. [2] 台达. ASDA-B2伺服手册[EB/OL]. [3] 陈国强, Putra A S. 工业自动化中的驱动与控制[M]. 第1版. 北京:机械工业出版社, 2016 :86-105.

相关内容回顾： 伺服电机基本概念解析：伺服系统组成及其控制原理 伺服驱动器的接线与基本控制

按照设备需求选择，选择好合适的控制模式后，需要对伺服增益参数进行合理的调整。使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机，最大限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进行调整，它们之间会相互影响。

以下采用位置伺服为例，说明驱动器的基本原理及各项必要的调整参数，因为位置伺服驱动器具备完整的驱动器元件。位置伺服驱动器内部包含：位置环、速度环、电流环。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、速度环的增益即可。

速度环常使用PI控制器，调整Kvp，Kvi值，可使得伺服系统的速度控制性能符合要求。 PID相关知识点可参考：智能车PID控制学习笔记

速度比例增益（KVP） 本参数决定速度控制回路的应答性，KVP 设越大速度回路响应频率越高，对于速度命令的追随性越佳，但是过大的设定容易引发机械共振。 速度回路的响应频率必须比位置回路的响应频率高 4~6 倍，当位置响应频率比速度响应频率高时，机台会产生抖动或定位会有过冲（Overshoot）的现象。

速度积分时间（KVI） KVI 越大对固定偏差消除能力越佳，过大的设定容易引发机台的抖动。

增益和时间的问题 P、I、D常以增益的方式表示，数值越大其所造成的效果越大，这是为方便说明并且容易标识所用的方法；实际上积分I常用时间常量而非增益常量，两者为反比关系，因此要增加积分控制的效果，必须将时间常量减少。

伺服电机驱动必须设置位置增益参数Kpp，由于伺服驱动器位置控制单元采用P控制器，所以又称为位置比例增益参数。调整位置比例增益参数又称为伺服电机刚性调整，Kpp参数设置越大，控制反应越迅速，称为刚性较硬，反之则称为刚性较软。

位置比例增益（KPP） KPP 值设定越大，位置回路响应频率越高，对于位置命令的追随性越佳，位置误差量越小，定位整定时间越短，但是过大的设定会造成机台产生抖动或定位会有过冲（Overshoot）的现象，最终导致系统振荡而无法使用。Kpp值的调整，实际上是介于快速与稳定性之间的取舍，系统产生振荡，Kpp就必须往回调整，使系统进入稳定状态。 1.调整Kpp值时需考虑下列因素： 2.机构是否能接受较大的超调量； 3.较短的上升时间并不表示能缩短稳定时间； Kpp值减少时，上升时间延长，需要较长的时间才能到达设置点，最大超调量减少，但并不一定表示系统稳定时间将延长； 针对以上情况进行Kpp值的调整，求得的最短稳定时间即为最佳值，测量系统稳定时间需要适当的仪器，在无适当的仪器或工具进行辅助时，只能以人工进行调整及判断Kpp值是否适用。

位置前馈增益（PFG） 位置控制命令平滑变动时，增益值加大可改善位置跟随误差量。若位置控制命令不平滑变动时，降低增益值可降低机构的运转振动现象。

影响定位效率的另一重要因素为机构特性（又称阻尼特性）。在结构设计通常优先考虑功能及强度，因此机构特性通常很难或无法改变，故只能调整Kpp值配合机构特性。 机构设计不同时，机构特性必定不相同；即使结构相同，应用不同的安装方向也会产生不同的机构特性，进而产生不同的伺服系统参数。

伺服的增益调整分为手动、自动和半自动，并非所有机型都具备自动增益调整功能。

自动增益调整指惯量持续估测，惯量将定期调整，自动设定的参数包括电机负载惯量比、位置控制增益、速度控制增益、速度积分补偿、共振抑制低通滤波、外部干扰抵抗增益和速度检测滤波及微振抑制等（不同机型有所不同），此外使用者需自行调整自动调整模式应答性设定值（应答等级）； 半自动增益调整指惯量非持续估测，运转一段时间后惯量停止调整，此操作可防止由于伺服运行中发生误动作，导致增益参数被更新为错误值。使用者需自行调整半自动调整模式应答性设定值（应答等级），通常与自动调整模式应答性设定值为同一参数。

自动及半自动模式下，应答等级设定： 1~50Hz：低刚性，低响应。 51~250Hz：中刚性，中响应。 251~550Hz：高刚性，高响应。

通过增加应答等级来增加响应速度，或降低刚性设定值来减少噪音，持续调整至性能满意，调机完成。 关于位置或速度响应频率的选择必须由机台的刚性及应用的场合来决定，一般而言，高频度定位的机台或要求精密加工的机台需要设定较高的响应频率，但设定较高的响应频率容易引发机台的共振，因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机台以避免机械共振。在未知机台的容许响应频率时，可逐步加大增益设定以提高响应频率直到共振音产生时，再调低增益设定值。

使用自动增益调整(自动调节)功能足以应付大多数负载条件。调整参数时，可以先使用自动参数调整功能，然后根据需要手动调整参数，通常由自动模式或半自动模式切换为手动模式时，相应的参数值也会重新修改成自动/半自动模式下相对应的参数值。

速度环及电流环的参数调整是必须的，其他参数设置及选择项是否必要则随供应商不同而定。一些伺服驱动器支持增益切换功能，可由伺服内部状态或外部 DI 端口触发。 因为位置回路的内回路包含速度回路，用户必须先将速度控制单元以手动操作方式将速度控制单元设定完成。

第一步：调整速度比例增益Kvp值 将Kvi调整至零，然后将Kvp值渐渐加大，同时观察伺服电机旋转速度是否明显忽快忽慢，停止时是否产生振荡；当产生以上现象时，回调Kvp值，使振荡消除、旋转速度稳定。如有必要，经Kvi调整后，可再作反复修正以达到理想值。

第二步：调整速度积分增益Kvi值 将Kvi值渐渐加大直至积分效应产生，产生以上现象时，回调Kvi值，使振荡消除、旋转速度稳定。

第四步：调整位置比例增益Kpp值 调整方法见前文。

机床上的振动可以视为共振。所谓共振就是机床的固有频率与振源的频率相等。在机床系统中，振源就是伺服电动机。当伺服电动机的运行频率与机床机械系统的固有频率相等时，就发生共振。 消振即消除机械共振，消振的方法就是使伺服电动机的运行频率避开机床系统的固有频率。避开的方法除了降低控制回路的增益以改善共振现象，就是使用各种滤波器过滤掉共振频率，如陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器等，使伺服电动机以非共振频率工作。一些伺服驱动器提供了观测机械系统共振频率的功能，可利用此功能衰减共振。当振动得到有效的抑制后，可尝试继续增大伺服增益。

通过应用滤波器，可在不改变原来控制参数情况下，达到抑制共振的效果。

可以使用FFT频谱对共振点进行分析。在出现共振现象后，截取电机电流时域波形，使用FFT频谱查看，最高的共振点落在的频率位置即为共振频率，可以使用陷波滤波器衰减该共振频率。完成滤波器设定后，可反复加减速电机，若无共振音，则表示性能满足。

如果发现共振频率超过 2,000Hz 以上，表示系统的响应频率和增益值都已经设定超过机构所能够承受的数值，建议用户先降低响应频率和系统增益后，再重新进行频域的 FFT 分析。