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。 

    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, 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, 只能以单调变化的形式逐渐到达定位点。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]。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，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;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。

    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

    无超调的位置调节器一般采用比例型调节器, 即