交流伺服電動(dòng)機(jī)中的濾波器

交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已很普遍。國內(nèi)先從控制器開始開發(fā)，再到驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)在也有類似的電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在市場上。隨著技術(shù)完善，價(jià)格降低，控制性能的提高，操作調(diào)試日趨簡單，以及系列化、模塊化不斷發(fā)展，用它取代其他類型的伺服控制電動(dòng)機(jī)已成一種趨勢。

直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(d-d motor，dynaserv)因其不需要減速器而在某些特定場合得到廣泛的應(yīng)用，相當(dāng)于我們稱作的力矩電動(dòng)機(jī)，只不過前者是用新型的交流電動(dòng)機(jī)原理，是數(shù)字控制式的?，F(xiàn)用橫河公司(yokogawa)的智能驅(qū)動(dòng)器drvgⅲ為例介紹它的濾波器。該驅(qū)動(dòng)器為較新型的型號(hào)，可以較全面的概括其他型號(hào)的用法。

振蕩類型

不穩(wěn)定現(xiàn)象主要有下列幾種：

1)調(diào)整振蕩

低頻振蕩，頻率幾赫茲，振蕩幅度幾度到幾十度，有時(shí)超出控制區(qū)。由位置控制頻率帶寬和速度控制頻率帶寬失衡引起，如速度控制頻率帶寬小于位置控制頻率帶寬3倍。也可以是自動(dòng)調(diào)整時(shí)慣量力矩值不合適，如大于1.5倍時(shí)?？梢苑磸?fù)執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整操作并檢查慣量值，其誤差不能大于20%?；蚪档?0參數(shù)設(shè)置值(伺服剛度設(shè)置參數(shù))。

2）爬行

振動(dòng)現(xiàn)象類似于調(diào)整振蕩。當(dāng)執(zhí)行低速運(yùn)行指令時(shí)，反復(fù)一走一停，是靜摩擦力大于低速時(shí)的動(dòng)摩擦力導(dǎo)致。原因是位置積分限制值太大，位置偏差太大從而使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。方法是調(diào)整“積分限制值”或增加系統(tǒng)剛度。

3）相移振蕩

振蕩頻率為幾十到200hz，振蕩幅度不低于幾十度。原因是速度輸出信號(hào)相位落后于速度輸入信號(hào)相位180°，由控制理論可知這時(shí)系統(tǒng)無穩(wěn)定裕量。當(dāng)各種濾波器使用相同的頻率或速度控制帶寬和濾波器頻率帶寬相同時(shí)都可引起這種振蕩。處理方法為降低#1參數(shù)設(shè)置值(伺服剛度設(shè)置參數(shù))。

4）諧振

振蕩頻率為幾十到2khz，振蕩幅度頂多幾度，依結(jié)構(gòu)而定。振幅小而頻率高，?？陕牭秸痤澰胍?，系統(tǒng)剛度小易引起這個(gè)現(xiàn)象。引起原因是負(fù)載的機(jī)械諧振擾動(dòng)進(jìn)入速度控制環(huán)，多數(shù)情況下有幾個(gè)諧振頻率。所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)機(jī)械諧振頻率應(yīng)盡量高，至少要高于系統(tǒng)控制帶寬5倍以上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意剛性設(shè)計(jì)，避免細(xì)長桿結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)整濾波器抑制頻率諧振點(diǎn)增益來解決。

濾波器

為消除振蕩有三種濾波器。根據(jù)具體情況選用。

a.相位滯后補(bǔ)償濾波器

為一階延遲濾波器，由于它可調(diào)節(jié)帶寬的頻率，增加阻尼，在減少相移上優(yōu)于速度反饋濾波器。

圖1 相位滯后補(bǔ)償濾波器bode圖

由圖1的bode圖可看出它比速度反饋濾波器多一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)用于補(bǔ)償相位損失，參數(shù)#24對(duì)應(yīng)積分常數(shù)，參數(shù)#25對(duì)應(yīng)微分常數(shù)。并且最大增益衰減點(diǎn)頻率可設(shè)置，使相位滯后減到最小。另外，相對(duì)于陷波濾波器，它對(duì)抑制頻率范圍寬的諧振效果好，因其幅度抑制值小，對(duì)峰值高頻帶窄的諧振不合適。

注意如果速度控制帶寬和一階補(bǔ)償濾波器的頻率設(shè)置太接近容易引起振蕩。

b.陷波濾波器

陷波濾波器又稱為帶阻濾波器，可對(duì)任意頻率信號(hào)有效地阻斷，甚至可使諧振點(diǎn)的增益降到零。當(dāng)諧振峰值高而頻率帶寬窄時(shí)適用。通過改變品質(zhì)因數(shù)(q值)使衰減特性變化急劇或平緩。頻率設(shè)置范圍從50~1500hz，q值設(shè)置范圍從0.5~2.5(默認(rèn)值1.5)。圖2示出了陷波濾波器設(shè)置圖。

圖2 陷波濾波器設(shè)置圖

在諧振頻帶太寬時(shí)該濾波器不能濾除干凈。

c.速度反饋濾波器

速度反饋濾波器也為一階延遲濾波器，這是一個(gè)純粹的慣性環(huán)節(jié)，相移趨于90°。在高頻時(shí)增益小，當(dāng)高頻處有幾個(gè)諧振點(diǎn)時(shí)適用。增益在－3db規(guī)定為帶寬頻率，設(shè)置范圍從50～1000hz(見圖3)。注意使用時(shí)相移可到90°，可能會(huì)發(fā)生相移引起的振蕩。

圖3 速度反饋濾波器bode圖

調(diào)試設(shè)定步驟

1. 先調(diào)陷波濾波器1和2使其振蕩值到最小，如果無效果就關(guān)閉該濾波器。

2. 再調(diào)整相位滯后補(bǔ)償濾波器。

#24= n×#2
#25= 4×#24

參數(shù)#24為一階滯后補(bǔ)償頻率#1；
參數(shù)#25為一階滯后補(bǔ)償頻率#2；
參數(shù)#2為速度控制帶寬#1。
設(shè)置參數(shù)#24用n=3，n=2，n=1來試，不能使振蕩停止就關(guān)閉該濾波器。

3. 減低參數(shù) #1的值(伺服剛性設(shè)置)。返回到步驟1。反復(fù)調(diào)整直至滿意。

若自調(diào)整時(shí)出錯(cuò)，可將負(fù)載慣量設(shè)置為零，并增加自調(diào)范圍(參數(shù)#51，自調(diào)模式執(zhí)行范圍)。若自調(diào)整時(shí)振蕩則降低伺服剛度直到諧振停止。再重復(fù)執(zhí)行自調(diào)整，濾波器調(diào)整。

各種型號(hào)的這類電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器均有它自己的調(diào)試、控制和設(shè)置參數(shù)的軟件界面，或?qū)刂破?，或?qū)︱?qū)動(dòng)器，但都大同小異，這里不做介紹。在調(diào)試的過程中須反復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察，根據(jù)使用要求靈活應(yīng)用。例如在對(duì)一個(gè)由這類電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)臺(tái)測試設(shè)備，測量時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定要求嚴(yán)格，而對(duì)加速度并不做嚴(yán)格要求，只要加速區(qū)不是太長就行，被測對(duì)象種類較多，重量、慣量、剛度各不一樣，并且更換被測對(duì)象頻繁。使用自動(dòng)調(diào)整，在加載，空載，或換負(fù)載對(duì)象時(shí)常發(fā)生諧振，要重新執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整才行。為此筆者將系統(tǒng)增益降低，使輸出特性硬度減低，犧牲快速性而增加穩(wěn)定性，使各種負(fù)載時(shí)均不振蕩也不降低測量精度。在另一套系統(tǒng)中筆者甚至將帶阻陷波濾波器硬件斷開，拔去連接插頭，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。