伺服刚性和惯量比调试

伺服系统作为现代工业自动化的核心部件，其性能直接影响设备的运动精度和动态响应。在伺服调试过程中，刚性（Stiffness）和惯量比（Inertia Ratio）是两个关键参数，它们共同决定了系统的稳定性和响应速度。本文将深入探讨伺服刚性和惯量比的概念、调试方法以及实际应用中的注意事项。

一、伺服刚性的概念与调试

伺服刚性反映了系统抵抗外力干扰的能力，通常表现为位置环增益（PG）和速度环增益（VG）的综合效果。高刚性系统能够快速响应指令并抵抗外部扰动，但过高的刚性可能导致机械振动；低刚性系统虽然稳定，但动态响应较慢。

调试方法：

1. 位置环增益（PG）调整

PG决定了系统对位置偏差的纠正能力。提高PG可以增强刚性，但需注意避免超调。建议采用"渐进法"：从较低值开始逐步增加，观察设备振动情况，直到出现轻微振荡后回调5%-10%。

2. 速度环增益（VG）优化

VG影响速度环的响应速度。调试时可先固定PG，逐步提高VG直至速度指令跟踪误差最小。典型场景中，VG与PG的比例关系约为1:3（如PG=30时VG≈10）。

3. 前馈补偿技术

在高速高精度应用中，可启用速度前馈和加速度前馈。速度前馈量通常设为80%-95%，加速度前馈量建议为60%-80%，这能显著减小跟踪误差而不增加系统振动风险。

典型案例：

某CNC机床在加工圆弧时出现轮廓误差，通过将PG从25提升至35、VG从8调整至12，并启用85%速度前馈后，轮廓精度提高42%。但需注意，不同机械结构（如直驱与丝杠传动）对刚性参数的敏感度差异显著。

二、惯量比的计算与匹配

惯量比定义为负载惯量与电机转子惯量之比（JL/JM），其大小直接影响系统的加速性能和稳定性。传统经验认为惯量比应控制在10:1以内，但现代伺服技术已可支持更高比值（某些场合可达50:1）。

计算方法：

1. 负载惯量测量

● 通过电机自识别功能获取（如安川Σ-7系列的"一键调谐"）。

● 公式计算：对于旋转负载JL=0.5mr?；直线运动负载需换算到电机轴（JL=m×(v/ω)?）。

2. 优化策略：

当惯量比>15时，建议：

a) 增加减速比（平方关系改善，如减速比从12，等效惯量比降为1/4）

b) 选用大惯量电机

c) 调整速度环积分时间（通常增大20%-30%）

特殊场景处理：

在机器人多关节系统中，各轴惯量比会随姿态变化。某6轴机器人第4轴惯量比在运动过程中从81，此时需：

● 启用自适应滤波器（如三菱MR-J4的振动抑制功能）。

● 设置多组增益参数并通过PLC自动切换。

三、刚性与惯量比的协同调试

两者存在耦合关系，需遵循"先惯量后刚性"的调试原则：

1. 基础步骤：

● 完成机械装配后首先测量实际惯量比。

● 根据比值范围预设速度环参数（如当惯量比>20时，初始VG设为标准值的70%）。

● 最后调整位置环增益。

2. 振动抑制技巧：

● 在500-800Hz高频振动区域，可启用陷波滤波器（Notch Filter）。

● 对于低频振动（<100Hz），适当降低PG并增加速度环积分时间。

3. 动态测试方法：

使用梯形速度曲线测试，观察不同加速度阶段的跟踪误差：

● 加速段误差大→提高VG或加速度前馈。

● 匀速段误差→调整PG。

● 减速段过冲→优化减速时间常数。

四、先进调试技术与行业应用

1. 自适应控制技术

如发那科30iB系统搭载的HRV控制，可实时识别负载变化并自动调整增益。在压铸机应用中，使惯量比波动时的位置波动减少60%。

2. 双闭环系统配置

高精度磨床常采用电机编码器+光栅尺的双反馈，此时需注意：

● 机械刚性不足时，光栅尺反馈可能引入振荡。

● 建议将光栅尺分辨率设置为电机编码器的5-10倍。

3. 行业参数参考：

五、常见问题解决方案

1. 低频振动问题

某包装机械在5Hz频段持续振动，通过以下步骤解决：

● 确认机械传动间隙<0.05mm。

● 将VG从12降至9，PG从35调至28。

● 增加速度环积分时间从100ms至150ms。

2. 惯量识别误差

当使用第三方减速机时，实测惯量比与理论值偏差可能达30%。建议：

● 在多个典型位置进行多次测量取平均值。

● 考虑减速机背隙造成的等效惯量变化。

3. 刚性突变场景

如冲压机床在接触工件时刚性骤增，应对策略：

● 设置两套参数并通过IO信号切换。

● 使用压力传感器触发增益切换（切换延时需<10ms）。

随着智能制造的发展，伺服调试正从经验型向数据驱动转变。建议工程师建立参数数据库，记录不同工况下的最优参数组合，并配合振动频谱分析工具实现精准调试。未来，结合数字孪生技术的预测性调试将成为新的发展方向。

审核编辑 黄宇