伺服系统的性能分析及其调整过程的研究

    伺服电机及其驱动技术在我国还属于技术含量较高的领域，在机床、工业机器人、印刷机械、包装机械、塑料机械和纺织机械等行业得到广泛的应用。一个伺服系统的构成通常包含被控对象(plant)、执行器(actuator)、控制器(controller)等几个部分，机械手臂、机械工作平台通常作为被控对象。执行器的功能在于主要提供被控对象的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，一般称之为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，执行器包含了电机与功率放大器，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机(servo motor)，通常内含位置反馈装置，如光电编码器(optical encoder)、解角器(resolver)，目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁交流伺服电机、与感应交流伺服电机，其中又以永磁交流伺服电机占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制与位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与功率放大器。图1所示为一般工业用伺服系统组成框图。本文分析一般工业用伺服系统的伺服性能及阐述如何对一个既定的伺服系统进行调整，使之达到最佳的伺服性能。

图1 一般工业用伺服系统组成框图

    一、伺服系统的性能分析

    衡量一个伺服系统的性能主要从以下四个方面来分析:响应速度、刚度、稳定性以及抗噪音能力。

    ·响应速度

    伺服系统的响应速度描述了系统响应指令给定的快慢程度，对大部分的伺服系统来说追求较快的响应速度，系统的增益越大，则响应速度快，有助于提高系统的性能；

    ·刚度

    伺服系统的刚度描述了系统抗扭矩干扰的能力，系统的刚度比较难于衡量，这是由于系统的干扰往往难于量化，对于一个伺服系统来说，高的刚度能够达到较好的伺服性能；

    ·稳定性

    伺服系统的稳定性描述了系统消除自振荡的裕量，任何一个系统都必须有合适的稳定裕量，伺服系统的稳定性一般通过对方波信号响应的过冲量和振荡次数来衡量，伺服增益越高，系统的稳定性将降低；

    ·抗噪音能力

    伺服系统的抗噪音能力描述了系统对噪音源的放大程度，噪音干扰会导致系统发热、振荡，扭矩波动和杂音等不良现象。伺服增益越高，系统的抗噪音能力将越低。图2～图5所示为伺服系统性能的对比分析。

(a)快速响应                          (b)响应迟缓
图2 伺服系统速度环对方波的响应速度对比

(a)合适的刚度                          (b)刚度过小
图3 伺服系统速度环对方波响应时刚度性能的对比

(a)系统稳定                          (b)系统不稳定
图4 伺服系统速度环对方波响应时稳定性能的对比

(a)抗噪音干扰良好                          (b)噪音干扰严重
图5 伺服系统速度环中反馈电流精度的对比