伺服相关的这几个频率,都啥意思?

                        发表时间:2021-08-25 文章出处:网络人气:-


                        伺服系统一般由三环控制,即电流环、速度环和位置环,其中电流环为最内环,位置环为最外环。


                        三环的控制频率由它们坐在环中的位置决定,位置越靠内,频率越要高才行。

                        基于力矩控制时,驱动器只需要工作在电流环下即可;
                        基于速度控制时,驱动器需要由电流环和速度环实现;

                        基于位置控制时,驱动器需要三环控制;


                        由此可知,位置环频率决定速度环频率,速度环频率决定电流环频率。当需要更高的运动精度时,位置环频率就需要越高,因此位置环频率是由系统决定的。理论上来讲,3环的频率越高越好,但高频率受硬件计算力的影响,频率越高就意味着需要有更高的带宽,才能实现系统的有效响应。下面我们来具体介绍下:



                        控制环的采样频率

                        常见的伺服,采用的都是嵌套的三环结构,如图1:

                        图1:嵌套的三闭环结构

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                        电流环对霍尔元件或电流传感器采样,速度和位置环对编码器采样。这三个环的采样频率分别为电流环采样频率,速度环采样频率和位置环采样频率。

                        如对于ABB Microflex e190伺服驱动器而言,这三个环的默认频率分别为16kHz,4kHz和4kHz。



                        图2:指令频率及采样频率

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                        由上表可见,除了三环的采样频率外,还有个Profiler rate。此频率是轮廓规划器(Profiler)输出指令的频率,即1ms更新一次Setpoint或SetPosition,SetPoint或Set Position是给位置环的指令。


                        引申到基于总线控制的伺服,比如基于EtherCAT总线的PLC控制。Profiler存在于PLC中,若总线周期(Cycle Time)设置为1ms,则其ProfilerRate 为1kHz。如总线周期设置为2模式,则其Profiler Rate 为500Hz。



                        三环的响应频率

                        翻阅某品牌伺服驱动器的样本,介绍其响应频率为2kHz

                        图3:响应频率

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                        那么响应频率是个啥概念?响应频率是与响应时间成反比的。响应频率=1/响应时间。响应时间即响应设定值的时间。通常都用速度环的响应衡量伺服的性能。


                        当伺服系统速度环给定一个正弦信号,则电机的速度也以正弦规律变化。保持给定正弦波的幅值,逐渐提高正弦信号的频率,电机速度的响应也会加高频率。当给定频率提高到一定程度时,响应正弦波的相位发生滞后,幅值下降3dB,这一点的给定频率就是响应频率,也称响应带宽。这是伺服的一个重要指标,它表征系统的响应速度、抗扰动的能力,也极大地影响静态指标。


                        注:幅值下降3dB,相当于当实际震幅衰减到命令振幅的70% (根号二/2)。


                        对伺服驱动器的速度环进行整定时,可以设置整定带宽。带宽越大,系统刚性越高。但带宽设置过大容易引起振荡和噪音。



                        图4:速度环带宽整定 

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                        电流环响应频率就是在电流环输入正弦波给定,增加频率直到输出幅值减少3分贝时的频率。在整定时也可以对电流环的带宽进行单独整定。带宽设置越高,增益越大,系统响应越快。



                        图5:电流环带宽整定
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                        位置环响应频率与电流环和速度环的界定原则相同。


                        电流环带宽一定比速度环和位置环高。伺服一般常用速度环的响应频率指示伺服的响应特性,故常说的响应频率指速度响应频率!






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