TSM一體型步進伺服馬達PID調整


TSM PID Tuning


一般情況下,PID參數可使用馬達預設值即可。

當馬達與負載機構結合之後,可先讓馬達做簡單正反轉動作,並且監控軟體上的編碼器位置(Encoder Position)與下命令位置(Command Position)兩者間位置誤差(Position Error)是否為 "0" (如下圖),若位置誤差為 "0" 則不必進行PID參數調整。


除了特殊應用(ex:雙軸圓弧運動)外,大部分應用可直接從步驟四:調整位置環部分開始做PID調整,速度環部分可維持預設值。

何時需要調整PID參數?

當馬達與負載結合後,通電時產生振動與噪音時,表示系統不穩定,需要調整參數。如需快速解決此問題,將所有增益參數數值調低,並點擊軟體下載鍵將設定下載至馬達。

 

調整參數

 

速度環(Velocity Loop):

Gain (VP): 比例增益(速度模式)用於增加馬達響應之剛度,與速度誤差成正比

IntegGain (VI): 積分增益(速度模式)用於增加剛度以及減少穩態速度誤差

FF Gain (KK): 慣性前饋增益利用補償負載慣量來改善加速度控制

Filter (KC): 整體伺服濾波器; 單極低通濾波器,用於衰減高頻振盪

 

位置環(Position Loop):

Gain (KP): 比例增益(位置模式)用於增加馬達響應之剛度,與位置誤差成正比

Deri Gain (KD): 微分增益用於位置誤差之變化率 ,以提供系統阻尼與增加穩定性

Deri Filter (KE): 微分濾波器用於限制經常因微分增益增加而引起之高頻噪音,使系統更安靜且更穩定

 

調整時請格外小心,萬一發生故障,如:馬達不穩定、失速等,請隨時做好切掉馬達電源之準備。

 

請注意!速度環需要在位置環之前進行調整。

 

調整步驟

 

步驟一:將速度環增益起始設置為低值

(1)   KC值設為預設值15000

(2)   VI值與KK值設為0

(3)   對於低慣性負載與低加速度/減速度,將VP值設為1000~1500範圍內(請參見下面提示12)

 

提示1: 在調整參數字段中輸入數字後,按<Enter>鍵; 輸入值後按Tab鍵將使該字段恢復為先前的值。 滑塊和上/下按鈕也可用於調整值。

提示2: 步驟一的第(3)點所示,以建議的VP值設定範圍,且符合低加速度/減速度(不大於200rev/sec2)以及慣性負載需低於5倍之轉子慣量,可使範例動作移動完成,且不會出現任何故障訊息。若加速度/減速度值超過建議值或負載慣量超過5倍,則執行範例動作時可能會出現位置錯誤。這些位置錯誤訊息可在調整參數期間藉由Step:1 Configuration介面下,勾選”Not Used”選項來消除,如下圖(1)所示,並點擊”Download All to Drive”以完成修改。完成調整參數後,建議修改回初始設定(選項勾選回”Position Fault Limit”),以免當馬達從指定位置失磁時出現錯誤訊息。

(1) 在調整參數過程中關閉位置故障極限可以消除位置錯誤訊息


提示3: 當步進伺服馬達與Step-Servo Quick Tuner軟體連接並完成通訊時,將自動進入連接模式,且下列初始值設定一併生效:

波特率(Baud Rate)設置為115,200bps(指令:BR5)

立即格式設置為十六進制(指令:IFH)

傳輸延遲設置為2ms(指令:TD2)

特定型號之協議設置: PR13(對應RS232型號)/  PR15(對應RS485型號)

 

步驟二:執行範例動作並調整VP

(1)   繪製實際速度(Plot 1)與目標速度(Plot 2)曲線圖

(2)   將方向(Direction)設置為CW,然後選擇單次運行(Sample Once)

(3)   觀察實際速度曲線,如圖(2a)

(4)   重複執行範例動作並調整VP值,直到實際速度介於目標速度的80-90%之間。此最終VP值設置會根據馬達負載與速度限制值之設置而有所不同。


(2a) 範例動作下實際速度()與目標速度()曲線圖


調整VP值重點在於,實際速度曲線的頂部應平滑,無任何振盪,如圖(2b)(2c),並且移動完成後,馬達不應該發出任何噪音或震動。

(2b)                                                                             (2c)


步驟三:繪製速度誤差曲線以調整KK值與VI

(1) Plot 2設置為速度誤差,並勾選自動縮放”(Auto Scale)選項

(2) 執行範例動作,同時先增加KK值,如圖(3a)

(3) 當實際速度曲線開始變尖時,然後開始逐漸增加VI值和KK值,以最大程度地減小和穩定速度誤差,如圖(3b)(3c)

(i) 取消勾選自動縮放”(Auto Scale)選項,將單位鎖定在垂直軸上;這有助於從視覺上看到速度誤差的減少

(ii)如果馬達開始發出噪音,降低KC

(3a) 實際速度()與速度誤差()曲線圖;同時調整KK


(3b) 隨著KK值增加,實際速度曲線輪廓愈來愈趨近於梯形


(3c) 隨著VI值與KK值的調整,使速度誤差趨於最小化


以下步驟為調整位置環。

 

步驟四:切換至P Loop(位置環)介面,並將Plot 2改為位置誤差

(1)   設置與V Loop(速度環)相似的範例動作

(2)   KE值設為預設值15000,將KP值與KD值設為1

(3)   當執行範例動作時增加KP值,以最大程度地降低位置誤差,如圖(4a)。如過多增加KP值,可能導致不穩定,如圖(4b)


(4a) 位置環調整;實際速度與位置誤差曲線圖




(4b) 調整P Loop(位置環)時,過大的KP值所引起的不穩定


步驟五:增加KD值並調整KPKE值,如圖(5a)

(1)   增加KD值的同時,繼續執行範例動作

(2)   如果聽見馬達發出尖銳噪音,則降低KE

(3)   當位置誤差和建立時間滿足要求時,調整完成

(4)   用滑鼠游標放大檢視位置誤差,如圖(5b)

(5a) 調整P Loop(位置環)後,位置誤差被最小化


(5b) 放大檢視位置誤差曲線,顯示其範圍落在+/-10編碼器計數內



步驟六:完成設置,下載和保存

(1)   如果在步驟一中將位置故障限制功能(Position Fault Limit)設置為“未使用(Not Used)”,請確保將其恢復為之前的設置

(2)   確保點擊全部下載到驅動器(Download All to Drive)”,以便最終的調整值將保留在非易失性記憶體中

(3)   Project選單下拉,點擊保存項目(Save Project)”來保存項目文件