伺服电机的一般调试步骤.docx
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伺服电机的一般调试步骤
运动控制器以模拟量信号控制伺服电机的一般调试步骤
运动控制器控制伺服电机通常采用两种指令方式：
1，数字脉冲这种方式与步进电机的控制方式类似，运动控制器给伺服驱动器发送“脉冲/方向”或“CW/CCW”类型的脉冲指令信号；伺服驱动器工作在位置控制模式，位置闭环由伺服驱动器完成。
日系伺服和国产伺服产品大都采用这种模式。
其优点是系统调试简单，不易产生干扰，但缺点是伺服系统响应稍慢。
2，模拟信号这种方式下，运动控制系统给伺服驱动器发送+/-10V的模拟电压指令，同时接收来自电机编码器或直线光栅等位置检测元件的位置反馈信号；伺服驱动器工作在速度控制模式，位置闭环由运动控制器完成。
欧美的伺服产品大多采用这种工作模式。
其优点是伺服响应快，但缺点是对现场干扰较敏感，调试稍复杂。
以下介绍运动控制器以模拟量信号控制伺服电机的一般调试步骤：
1、初始化参数
在接线之前，先初始化参数。
在控制器上：
选好控制方式；将PID参数清零；让控制器上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制器再次上电时即为此状态。
在伺服驱动器上：
设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。
一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。
比如，松下MINASA4系列伺服驱动器的速度指令增益参数Pr50用来设置1V指令电压对应的电机转速（出厂值为500），如果你只准备让电机在1000转以下工作，那么，将这个参数设置为111。
2、接线
将控制器断电，连接控制器与伺服之间的信号线。
以下的连线是必须的：
控制器的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。
复查接线没有错误后，将电机和控制器上电。
此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。
用外力转动电机，检查控制器是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置
3、试方向
对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。
通过控制器打开伺服的使能信号。
此时伺服电机应该以一个较低的速度转动，这就是所谓的“零漂”。
一般控制器上都会有抑制零漂的指令或参数。
使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。
如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。
确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。
如果电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。
测试不要给过大的电压，建议在1V以下。
如果方向不一致，可以修改控制器或电机上的参数，使其一致。
4、抑制零漂
在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。
使用控制器或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。
由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。
5、建立闭环控制
再次通过控制器将伺服使能信号放开，在控制器上输入一个较小的比例增益，至于多大算较小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制器能允许的最小值。
将控制器和伺服的使能信号打开。
这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。
6、调整闭环参数
细调控制参数，确保电机按照控制器的指令运动，这是必须要做的工作，而这部分工作，更多的是经验，这里只能从略了。
交流位置伺服系统与动态性能的在线调试装置
摘 要（Abstract）介绍一种在交流位置伺服系统在线调试中应用系统动态性能分析方法的基本原理，给出了一种位置伺服系统动态响应曲线、动态性能分析及其主要技术指标的实例
关键词（Keywords）位置伺服系统动态性能分析在线调试
交流三相永磁同步电动机由于其转矩惯性比大,在接近于零的低速区仍能保持稳定的额定转矩等方面的卓越性能,目前已取代直流电动机在精密的位置控制系统中得到普遍使用。
但伺服系统带负载运行时存在一个系统与负载相匹配的问题。
例如交流位置伺服系统被安装到机床上后,其负载的大小和性质随设备而发生变化,这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏,使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行[2]。
过去,由于无法得到伺服系统在线带负载时的动态性能指标,在数控机床的装配、调试过程中,无法对系统进行动态性能分析,仅凭经验由人工进行,调试工作相当困难,一般只能凭感觉调到机床运动部件“能动即可”为止,这种调试很难使系统达到理想状态。
因此虽然数控机床伺服系统本身有一套高精度的反馈信号测试装置和控制器，但安装在数控机床上的伺服系统却很难实现高速度、高精度位置控制的要求。
据此,我们结合交流位置伺服系统动态性能分析及在线调试技术研究课题研制了一套动态性能分析和交流位置伺服系统在线调试装置,实现对伺服系统的在线调试。
下面讨论通过交流位置伺服系统动态性能分析实现位置驱动在线调试的主要原理和作用。
交流位置伺服系统的动态性能及动态性能指标
交流位置伺服系统的动态性能也即系统在整个过渡过程中的性能,一般可由系统在单位阶跃输入信号作用下的时间响应曲线来描述。
一个可以运行的伺服系统其动态过程一定是衰减的,例如图1所示的以衰减振荡的形式达到定位点。
但精密位置伺服系统例如数控机床进给的控制要求更高,它不允许有任何振荡和超调,只能以如图2所示以单调变化的形式逐渐到达定位点。
图1示出的常用的动态性能指标有:
上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%。
其中上升时间tr反映了系统的动态灵敏度和系统过渡过程的快速性;调节时间ts又称过渡过程时间,是衡量系统快速性的主要指标;超调量σ%是反映在系统过度过程进行得是否平稳的指标[3][4]。
图1和图2可看作采用不同阻尼比ξ的同一个二阶系统的时域响应的仿真结果，图1的阻尼比ξ小，则上升时间tr短、但超调量σ%不为,由于有振荡,调节时间ts也较长;图2的阻尼比ξ增大了,则上升时间tr变长、但可实现无超调,调节时间ts可以较短。
图1交流位置伺服系统的衰减振荡及动态性能指标
图2交流位置伺服系统的单调变化动态过程
也可把交流位置伺服系统看作这样的一个二阶系统[1]。
这是因为在位置控制中,速度环的响应频率要比位置环的响应频率高得多,故可把位置伺服系统中的永磁同步电动机速度伺服单元的数学模型等效为一个一阶传递函数
则接入位置调节器
后的交流位置伺服系统动态结构图如图3所示。
图3带位置调节器的位置控制动态结构图
无超调的位置调节器一般采用比例型调节器,即
式中，Ksv、Tsv分别是速度伺服单元的增益系数与等效的时间常数,当速度环调节好以后,这两个参数在位置环参数的调节中已成为常数,所以阻尼比ξ的调节只是通过调节Kp实现的,这时Kp就是唯一可调节的位置环参数。
当Kp增大时，ξ减小。
要使位置不超调,应使ξ≥1。
以上所述是数控机床位置调节器的基本原理。
实际使用的位置调节器为了提高性能要复杂些,例如按位置偏差的大小需设置不同的比例系数Kp。
从上面分析可知,系统的动态性能指标与系统参数存在相互对应关系。
在系统调试时,完全可通过对系统动态性能的这些指标进行分析得到系统参数应调试的值,从而通过系统的调节器参数的调节使其达到理想状态。
交流位置伺服系统动态性能与在线调试装置的实现
为了自动测试交流位置伺服系统的动态性能指标并实现在线调试,我们设计研制了一套交流位置伺服系统动态性能分析和在线调试装置。
其基本原理如图4所示。
在这套装置中,为了实现动态性能分析,主要做了以下工作：
·一是要高速实时数据采集,即测试带载系统的动态性能参数,如实际速度、实际位置参数等,并把它们保存起来;
·二是作图,把这些参数用曲线形式表示出来,如画成速度响应曲线、位置响应曲线等;
·三是求出系统的动态性能指标,如:
上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等。
图4交流位置伺服系统动态性能分析及在线调试装置原理框图
从图4可以看出,本装置中,这三项工作可分别由下位机80C196KC和上位机IPC来完成。
第一项工作是由下位机完成的:
在80C196KC的SWT0中断服务程序中一方面读取从编码器反馈所得的运动部件此刻的实际速度、位置信号,另一方面把这些检测数据保存在单片机的外部存储器中。
由于这个中断服务程序以每200μs中断一次的很高速率来采集实际位置和实际速度,因此,可在响应曲线中把伺服系统高速运行时的位置和速度微小变化都能反映出来。
第二、三项工作都可以由上位机IPC来完成:
当伺服系统停止运行后,通过通讯程序把下位机中保存的所采集的参数数据传送到上位机,由画图程序把速度响应曲线和位置响应曲线等画出来,最后用动态性能指标计算程序把上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等有关的动态性能指标和参数计算出来。
交流位置伺服系统的动态性能分析
在对位置伺服系统进行动态性能分析时，不同的动态响应曲线（例如位置响应曲线和速度响应曲线）,对动态性能指标的要求有很大的差别。
很多负载的位置响应曲线中上升时间tr和调节时间ts可以长一些,但一定不能有超调,即必须使超调量σ%＝0。
例如数控机床对进给位置的精度要求很高,控制刀架运动的位置伺服系统产生超调，那末被加工的另件就会被多切削了一部分,另件极有可能报废。
因此在调试位置环的调节器参数前,分析位置响应曲线的动态性能指标时,其重点是超调量σ%,只有在保证位置响应曲线没有超调的情况下,才再来考虑位置响应的快速性,即再考虑把上升时间tr和调节时间ts适当调短。
速度响应曲线中,当起动或加速时,为了加快过渡过程,输入信号为所允许的最大电压,使上升时间tr和调节时间ts尽量短一些,一般情况下,允许速度有超调,只要超调量σ%不超过一定的百分比即可,这种情况如图1的响应曲线所示。
结束语
使用这套动态性能分析及在线调试装置可以实现对位置伺服系统进行带载在线调试。
我们调试的位置伺服系统为以90C196KC作位置控制器的SIEMENS的交流三相永磁同步电动机驱动装置SIMODRIVE,负载为精密的磁粉制动器,这样可方便地根据需要调节负载转矩的大小。
图5实测伺服系统速度响应曲线和位置响应曲线
图5反映的是点位控制在线调试结果的伺服系统实测的速度响应曲线和位置响应曲线。
从这两条响应曲线可以看出:
·虽然速度响应有一定的超调（σ%≤40%）和存在减幅震荡（1次半）,但这些并不影响位置响应曲线的单调上升,保证不产生超调;
·从位置响应曲线中可以进一步看出,除减速段以外,单位时间内的位移基本是均匀的,并没有受转速超调的影响。
只要机械结构允许,这种起动时施加阶跃电压而产生允许的速度超调,只有当减速时才施加有一定减速规律控制电压的控制方式不失为一种实用的位置控制方式。
这种控制方式的伺服系统经过该装置的动态性能分析和在线调试,定位精度可以达到该系统能够达到的最高精度:
实测的定位误差最大值仅为编码器脉冲信号的1个跳变（采用2500线编码器时相应位移量可达1μm）。
另外,通过动态性能分析和在线调试,这套装置还可大大缩短伺服系统的调试周期,可使几天才能调成的系统在短短的几十分钟内调成较理想的状态。
ZSZ系列轴角编码器在伺服系统中的应用
摘要：
在某雷达天线伺服系统的设计中应用了ZSZ系统轴角编码器，解决了ZSZ轴角编码器模拟速度量的微弱信号处理问题和数字化轴角编码器的信号采集和远距离传输问题。
关键词：
ZSZ轴角编码器伺服系统模拟速度量传输
在雷达、火控、导弹发射架等需要实现角位置闭环控制的伺服系统中，完成角位置测量是实现闭环控制的先决条件，在以前的伺服系统中通常应用同步机加相敏检波实现角误差测量，系统笨拙，不易实现数字化控制。
近年来单片机技术在交、直流伺服系统设计中得到广泛应用，伺服系统的数字化已成为伺服系统设计的主流，为此，与之相配置的数字化轴角编码器装置得到迅速发展。
数字化轴角编码器和同步发送机配合使用可以方便地完成角位置信息的数字化测量，从而用单片机控制可以方便地实现数字位置跟踪［１］，由于它使用方便，可靠性极高，对使用环境无特殊要求，因此应用前景广阔。
特别是在军事装备中更是如此。
目前已有ZSZ系列国产化数字轴角编码器产品。
在交、直流伺服系统设计中，通常需要设置位置闭环和速度内闭环，用位置环保证跟踪精度，速度环保证跟踪的快速性，因此在需要角位置反馈信号的同时还需要角速度反馈信号。
ZSZ系列轴角编码器自身正好有一路与系统转速成正比的模拟速度信号输出，但是对低转速伺服系统，模拟速度反馈信号的输出很低。
为了实现和速度给定量的匹配，必须对此信号放大，由于这一信号受到系统信号的干扰，简单的放大处理将带来速度闭环不稳定，使这一功能应用受到限制。
在文献［２］的雷达伺服系统设计中就在使用ZSZ编码器构成数字位置反馈信号的同时又在系统中配置了单独的测速发电机实现速度闭环，增加了系统成本和复杂性。
本文给出了对ZSZ模拟速度反馈信号的处理方法，并成功应用于某雷达伺服系统的设计。
由于系统设计的需要，有时用于角位置数字化的ZSZ轴角编码器和角位置信息处理的单片机之间传输距离较远，需要对并行输出的角位置信息实现正确采集和传输。
本文也给出了相应设计方法，并成功应用于系统设计。
下面以ZSZ759数字化轴角编码器在某雷达伺服系统设计中的应用为例予以说明。
１ZSZ数字化轴角编码器模拟速度反馈信号的处理方法
12ZSZ759的模拟速度量输出对应编码器最高跟踪速度5r/s的输出值是10v[3]，而雷达天线的最高允许转速一般为6r/min=0.1r/s，对应此最高转速，模拟速度量最大输出电压=10V/5（r/s）×0.1（r/s）=0.2V，故VEL的输出范围是0～0.2V，属弱信号范畴，模拟速度环构成速度反馈要求电压范围是－10V～+10V（负值对应反转），因此VEL信号需放大50倍，然而，实测VEL信号受到VCO高频开关信号和100Hz电源信号（50Hz整流）的干扰，因此这里的信号放大电路不能仅用比例放大器完成。
高频开关信号易于用低通滤波器和电源去耦滤除，而100Hz信号处于速度闭环通带内，必须用陷波电路滤除。
实践证明，用双“T”型陷波滤波器效果较差，影响闭环稳定性。
利用文献[４]的方法设计了一种实用的陷波电路。
较好地解决了100Hz信号滤波问题，此陷波电路的
原理如图１所示。
最后得出速度反馈
放大电路如图2所示。
图3（a）直流电机电枢电流波形，图3（b）是速度闭环实测滤波后的速度反馈值从电机启动阶段到稳定运行阶段的波形，由图可见100Hz信号分量得到了有效的抑制，系统稳定运行后转速运行平稳。
２ZSZ轴角编码器数字位置信号的采集和远距离传输
由于数字化轴角编码器与单片机之间有一定的传输距离（一般＞5m），因此，在单片机获取数据信息之前需要将轴角编码器输出的角位置信息进行调制、解调处理。
8098为准16位单片机，只有8位数据线，而12SZ759角位置数据为12位并行输出的，对数据的采集要用分时读取的方式。
当单片机的工作频率时，系统的状态周期t=500ns，而调制解调芯片1488、1489的最高工作频率只有1Hz，满足不了单片机读、写周期的时序要求，因此，要采集到正确的角位置信息，必须先把12ZSZ759并行输出的12位角位置数字信号直接先进行调制传输，解调处理后，再由译码电路进行时序控制，让单片机分时读取。
如果在调制前进行分时控制，单片机将采集不到正确的角位置数据信号。
12ZSZ759轴角编码转换器模块内部没有数据锁存电路，为了实现数据实时准确采集，与单片机接口时，还需外加数据锁存电路。
12ZSZ759模块有一“忙”信号输出端BUSY，当输入模拟信号变化一个转换器最低有效位对应的电量时，该端就输出一个约定2.5μs宽的脉冲，该信号为计算机检测转换器状态提供了极大的方便。
当BUSY为高电平时，表示转换器内部正处于跟踪状态，此时的数据输出代码D0～D11为非有效数码，单片机不应采集此时的数据；当BUSY为低电平时，表示转换器内部已转换结束，此时数据输出端的数据有效，可以读取。
但由于可逆计数器的输出数码D0～D11是一位一位的逐步刷新，因此在数码转换过程中存在着过渡数码。
从数据最低位D0至最高位D11传递需要一定的转换时间，大约为2μs。
因而单片机8098应在BUSY脉冲信号高电平变至零电平后2μs再读取数据。
8098单片机与12ZSZ759的接口电路如图４所示。
图中，单稳触发器74LS123产生滞后于BUSY脉冲2μs的负脉冲，在负脉冲的上升沿将转换器有效转换数码传至数据缓冲锁存器74LS374的缓冲器中。
数据经调制、解调处理后，由8098单片机控制时序电路，采取分时读取的方式将数据取走。
总之，由于采用了数字化的轴角编码器，系统可靠性高，使得装备伺服系统的数字位置伺服控制易于实现，特别适用于有同步机的现有系统的数字化改造，因此，应用前景十分广阔。
以上电路均已调试通过，且系统已投入使用。
基于工控机的位置伺服同步系统的开发
权建洲,赖向东,吴保芳
（空军雷达学院基础部,湖北武汉430019）
摘 要：
针对数控技术中的同步控制要求，设计了一种基于PC工控机的位置伺服同步控制系统，并描述了其控制软件的设计方法及关键技术。
关键词：
工控机；位置控制；长驻内存;电流漂移
当前，精密化、自动化、智能化和柔性化是数控技术的发展方向。
其关键技术之一的多轴联动数控技术，日益引起国内外有关学者的普遍重视和广泛研究。
但是如何更方便地实现高精度、高效率、高柔性的多轴联动还是一个有待继续探索的课题。
目前，多轴联动系统大多采用主从式结构，主机完成系统的管理和产生指令，而各轴控制则由各单独从机控制单元完成[1，2]。
以PC工控机为核心的控制系统，集管理与控制为一体，运用PCL833、PCL728两块功能板，可同时实现2台伺服电机间同步传动的柔性化控制,使之满足数控机床的多
轴联动要求。
1系统整体结构
系统整体结构简图，如图1所示。
本系统的控制回路分数字和模拟部分2部分，数字部分由1台PC工控机和两块硬件功能接口板组成。
PC工控机主要完成2台电机的位置控制调节运算；硬件功能板1为计数器，实现对两伺服电机反馈脉冲的检测、倍频辩相和计数功能；硬件功能板2为D/A板，实现对2台伺服电机的控制。
2硬件接口电路
PCL833是由研华公司生产的24位可逆计数器[3]，是专为位置和速度控制设计的计数器接口板，能够对正交输入和数字输入进行计数，
具有如下特点：
（1）3个24位可逆计数器；
（2）最大脉冲输入频率2.4MHz；
（3）计数方式为脉冲/方向计数和正反向计数；
（4）*1、*2、*43种倍频方式；
（5）具有对9个不同中断源中断控制；
（6）光电隔离最大能达到2500V；
（7）4级数字滤波；
（8）可编程中断时间；
（9）适合IBMPC/AT和兼容机（ISA总线）。
3个24位可逆计数器既可单独使用，也可级联使用。
最大可实现48位计数器方式。
并可根据要求设置为增量式和绝对式。
具有溢出中断和溢出计数等功能。
在本系统中，为保证计数器读数准确、不丢步，采用了24位计数方式，同时要求计数器进行绝对式循环计数。
接口板1占有计算机连续16个映射地址，根据PC计算机映射地址的分配情况，设置0X200~0X215连续16个映射地址给计数器。
PCL728是由研华公司生产的12位D/A转换器[4]，该转换器针对恶劣的工况设计的12位双通道D/A输出卡。
每一通道完全光电隔离，并且独立于系统地，可设置为以下范围输出：
0～5V、0～10V、±5V、±10V、4～20mA、0～20mA。
根据伺服电机的控制要求，设置为双极性±10V输出。
D/A输出占有4个映射地址，分别为0x2c0、0x2c1、0x2c2和0x2c34个连续地址。
伺服电机及其驱动系统采用日本安川公司的产品，电机型号为BMH0955N11A1L，光电编码器为伺服电机随机携带，3072脉冲/转。
3PC机实时控制算法软件设计与实现
在本系统中实现2伺服电机同步跟踪的控制。
2电机分别定义为主电机和从电机，由该工控机同时完成对2台伺服电机的控制。
采用工控机中的8253零计数器来实现定时中断，并通过其控制的0x1cH中断相量中安装中断服务程序。
8253零计数器的默认设置为每秒产生18.2次中断，即每发生一次中断间隔周期为55ms。
这样，可根据公式interrupt--hige=sample--time×1193180%256000和interrupt--low=sample--time×1193180/256000获得计数器预置数，通过修改该计数器预置值，可获得不同的中断时间。
整个系统软件由2个模块组成：
位置锁定模块和控制模块。
当系统采用了数模混合结构时，即使没有输入，也会因各种干扰的存在，引起模拟电路中产生电流“零漂”，从而将影响到控制效果。
位置锁定模块即为解决上述问题而设计，该模块的中断服务程序与控制模块的中断服务程序占有同一中断相量，运用TSR（TerminateandResident），即长驻内存技术[5]，将其长驻于内存中。
当主控制模块未运行时，该锁定模块通过定时中断自动激活，采用零输入负反馈控制策略，实现对伺服电机零位置的锁定。
当有任务时，运行主控制模块，此时该模块的中断服务程序的入口地址将取代锁定模块中断服务程序的入口地址，获得对伺服电机的控制权。
任务结束后，退出主控制模块，位置锁定模块将重新收回其控制权，从而使伺服电机始终处于闭环，有效地保证了系统的工作性能。
实际设计中，锁定模块采用了C语言和汇编语言混合编程，控制方案采用简单的零输入比例控制。
该模块流程图，如图2所示。
比例系数Kp=0.4，中断采样时间与主控制模块采用相同时间，均为4ms。
整个程序仅占560bit，对主控制模块或其他模块的运行几乎没有影响，但对伺服电机的位置漂移却获得了明显的改善，位置偏差始终保持在±1脉冲内。
控制模块的主程序流程图，如图3（a）所示。
中断服务子程序流程图，如图3（b）所示。
主程序完成寄存器、定时器初始化，定义控制变量，显示输入输出，数据的存贮，打印等功能；中断服务子程序则主要完成对2台伺服电机的控制。
在控制策略上对主电机采用简单的PI控制，而从动电机采用了模糊-PID和前馈微分控制构成的复合控制，运用C语言和汇编语言混合编程。
复合控制充分运用模糊控制和传统PID控制各自的优点，采用模糊控制和PID控制相结合的控制模式。
通过查询模糊控制表，根据系统处于不同状态和对控制过程不同时刻的不同要求，得到比例\Kp、积分Kd、微分K\3系数及前馈微分系数K1，兼顾控制系统的动、静态等多项性能指标，达到预期目的。
软件设计要点如下：
（1）驻留函数。
长驻内存函数keep（），将程序驻留在内存中，并通过热键或其它方式进行激活。
函数括号内为该程序所需字节数，如本软件中的位置锁定模块，需560bit，这样可写为keep（560）。
（2）在计数器采样子程序和D/A输出子程序的设计中，为了缩短运行读取计数器和输出D/A数据时间，提高运算效率，运用了结构体和公用体，如下所示：
（3）溢出判断子程序。
为保证计数器的计数准确，要求计数器进行绝对式循环计数，这样必然会产生溢出现象。
因此，在每次采样后都要对计数器是否溢出进行判
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