伺服系統作為現代工業自動化的核心部件，其性能直接影響設備的運動精度和動態響應。在伺服調試過程中，剛性（Stiffness）和慣量比（Inertia Ratio）是兩個關鍵參數，它們共同決定了系統的穩定性和響應速度。本文將深入探討伺服剛性和慣量比的概念、調試方法以及實際應用中的注意事項。

一、伺服剛性的概念與調試

伺服剛性反映了系統抵抗外力干擾的能力，通常表現為位置環增益（PG）和速度環增益（VG）的綜合效果。高剛性系統能夠快速響應指令并抵抗外部擾動，但過高的剛性可能導致機械振動；低剛性系統雖然穩定，但動態響應較慢。

調試方法：

1. 位置環增益（PG）調整

PG決定了系統對位置偏差的糾正能力。提高PG可以增強剛性，但需注意避免超調。建議采用"漸進法"：從較低值開始逐步增加，觀察設備振動情況，直到出現輕微振蕩后回調5%-10%。

2. 速度環增益（VG）優化

VG影響速度環的響應速度。調試時可先固定PG，逐步提高VG直至速度指令跟蹤誤差最小。典型場景中，VG與PG的比例關系約為1:3（如PG=30時VG≈10）。

3. 前饋補償技術

在高速高精度應用中，可啟用速度前饋和加速度前饋。速度前饋量通常設為80%-95%，加速度前饋量建議為60%-80%，這能顯著減小跟蹤誤差而不增加系統振動風險。

典型案例：

某CNC機床在加工圓弧時出現輪廓誤差，通過將PG從25提升至35、VG從8調整至12，并啟用85%速度前饋后，輪廓精度提高42%。但需注意，不同機械結構（如直驅與絲杠傳動）對剛性參數的敏感度差異顯著。

二、慣量比的計算與匹配

慣量比定義為負載慣量與電機轉子慣量之比（JL/JM），其大小直接影響系統的加速性能和穩定性。傳統經驗認為慣量比應控制在10:1以內，但現代伺服技術已可支持更高比值（某些場合可達50:1）。

計算方法：

1. 負載慣量測量

● 通過電機自識別功能獲取（如安川Σ-7系列的"一鍵調諧"）。

● 公式計算：對于旋轉負載JL=0.5mr2；直線運動負載需換算到電機軸（JL=m×(v/ω)2）。

2. 優化策略：

當慣量比>15時，建議：

a) 增加減速比（平方關系改善，如減速比從12，等效慣量比降為1/4）

b) 選用大慣量電機

c) 調整速度環積分時間（通常增大20%-30%）

特殊場景處理：

在機器人多關節系統中，各軸慣量比會隨姿態變化。某6軸機器人第4軸慣量比在運動過程中從81，此時需：

● 啟用自適應濾波器（如三菱MR-J4的振動抑制功能）。

● 設置多組增益參數并通過PLC自動切換。

三、剛性與慣量比的協同調試

兩者存在耦合關系，需遵循"先慣量后剛性"的調試原則：

1. 基礎步驟：

● 完成機械裝配后首先測量實際慣量比。

● 根據比值范圍預設速度環參數（如當慣量比>20時，初始VG設為標準值的70%）。

● 最后調整位置環增益。

2. 振動抑制技巧：

● 在500-800Hz高頻振動區域，可啟用陷波濾波器（Notch Filter）。

● 對于低頻振動（<100Hz），適當降低PG并增加速度環積分時間。

3. 動態測試方法：

使用梯形速度曲線測試，觀察不同加速度階段的跟蹤誤差：

● 加速段誤差大→提高VG或加速度前饋。

● 勻速段誤差→調整PG。

● 減速段過沖→優化減速時間常數。

四、先進調試技術與行業應用

1. 自適應控制技術

如發那科30iB系統搭載的HRV控制，可實時識別負載變化并自動調整增益。在壓鑄機應用中，使慣量比波動時的位置波動減少60%。

2. 雙閉環系統配置

高精度磨床常采用電機編碼器+光柵尺的雙反饋，此時需注意：

● 機械剛性不足時，光柵尺反饋可能引入振蕩。

● 建議將光柵尺分辨率設置為電機編碼器的5-10倍。

3. 行業參數參考：

五、常見問題解決方案

1. 低頻振動問題

某包裝機械在5Hz頻段持續振動，通過以下步驟解決：

● 確認機械傳動間隙<0.05mm。

● 將VG從12降至9，PG從35調至28。

● 增加速度環積分時間從100ms至150ms。

2. 慣量識別誤差

當使用第三方減速機時，實測慣量比與理論值偏差可能達30%。建議：

● 在多個典型位置進行多次測量取平均值。

● 考慮減速機背隙造成的等效慣量變化。

3. 剛性突變場景

如沖壓機床在接觸工件時剛性驟增，應對策略：

● 設置兩套參數并通過IO信號切換。

● 使用壓力傳感器觸發增益切換（切換延時需<10ms）。

隨著智能制造的發展，伺服調試正從經驗型向數據驅動轉變。建議工程師建立參數數據庫，記錄不同工況下的最優參數組合，并配合振動頻譜分析工具實現精準調試。未來，結合數字孿生技術的預測性調試將成為新的發展方向。

審核編輯 黃宇