探討servo stiffness(伺服剛性)

B0  2020年 10月13日 9:30


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近日有客戶來詢問servo stiffness, 我覺得是一個蠻有趣的話題, 所以來探討一下此話題.


理論上servo stiffness最主要依存於伺服控制迴路的P gain也就是比例增益, 還有I gain積分增益. 具體的意義乃是位置或速度誤差量轉換為馬達扭力指令的比值。所以高增益就意味著高servo stiffness(伺服剛性)。當然伺服剛性也依存於馬達的推力大小,不過通常馬達的大小一開始就依照許多條件選好固定了,可以改動的機會比較小,就不細論,馬達推力越大伺服剛性當然越大。


又, 換句話說伺服剛性乃是為了要評判達到位置控制的快速性或速度控制是否高品質的一個指標, 但是這個指標如果要給一個數字跟別人相比拼, 老實講, 比較不適合直接說我的系統的servo stiffness 為多少多少, 比別的系統的值還要高, 所以比較好, 也就是, 不太容易數據化,因為機構設計百百款很難比對.


那麼, 真的想要比較兩套伺服系統的優劣, 又要怎麼辦呢? 我的看法是, 只能迂迴地達到目的, 比方說針對定位機構加伺服驅動器比較定位的整定時間, 確認我比別人快整定到目標位置, 或者比速度漣波, 意思是說: 我的速度很穩定, 不會忽快忽慢.


要達到快整定的目的, 其實第一個很重要的基礎, 乃是機構的剛性要先做好, 機構的剛性, 就好比一顆大樹的基礎, 機構本身軟趴趴的話, 基礎就不好, 也就不容易達到高速整定。其原理在於一旦接上伺服驅動器開始調機,嘗試調高增益(如P gain等等),就很容易伴隨著提高增益就開始進入不穩定的控制也就是發出嗡嗡聲或者根本就自己晃動起來(專業術語叫相位邊界PM與增益邊界GM不足),而這有很大的因素起因於機構本身太不夠具有剛性。機構設計時候使用FEA有限元素分析法可以求得整組的共振模態分布, 其中第一個共振模態之頻率俗稱第一共振頻是評估機構設計是否具有剛性的指標, 此值越高越好, 通常一個不差的機構組成大概不要小於100Hz就不會有太壞的表現。


雖然,驅動器中可以加入許多濾波器等等勉強抑制控制上的不穩定,但是,如上所述,一棵樹的基礎沒有做穩固,樹枝根本就耐不了大風的吹襲。所以機構設計成高剛性乃是達到優良伺服系統的不二法門,體現快狠準的目的 。


而很多時候,機構設計早就體質不良,想改已經不容易了,此時只能靠著伺服驅動器或控制器來補破網,此時驅動器裡面的分析工具以及濾波器是否支援就可能變得重要了,這些軟體控制功能就會在必要的時候上場嘗試把死馬當活馬醫。還有伺服驅動器本身的控制頻寬也要越高越好,從電流回路開始到速度回路,位置回路都要做到對應高頻寬。如此一來,與機構的優良剛性設計相輔相成,提高定位的迅速與精準。


本話題請也參考下列英文網站之文章:

https://www.motioncontroltips.com/servo-stiffness-mechanical-stiffness-can-machine-be-too-stiff/


  • 最後修改時間:2020年 10月13日 9:51
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B1  2020年 10月13日 10:32


大大好,

這真的是個很有趣的議題,

在仿間有流傳一個說法,

就是說線馬的剛性比螺桿差,

因是線馬很容易被推動,

螺桿不容易被推動,

也因此線馬用在重切削很容易GG,

不知大大是否認同這樣的說法?

這仿間說法似乎就跟漣波或整定比較沒關係了。

另外,

再請教大大,

encoder的解析度是否也會影響伺服剛性呢?

再勞煩大大為迷惘的眾生開釋,

謝謝大大。


原 PO - B2  2020年 10月13日 14:14


Frankgi先進,

很高興您提出討論.

>    在仿間有流傳一個說法,

>    就是說線馬的剛性比螺桿差,

的確,我的看法是: 螺桿的剛性比較高, 此乃是因為螺桿非直接驅動, 具有減速比, 而減速作用具有提高傳遞後的力量並降低速度的特性, 所以用小的馬達就可以做到高推力, 但是速度降低就伴隨產生.

線馬如果要重切削, 就要計算精細, 使用夠大的馬達, 也許不能說線馬就不能重切削. 同理, 使用AC伺服搭螺桿, 如果選馬達過小, 當然也無法重切削啊!

不論是線馬(LM)或者AC伺服馬達, 我所提到的整定也好速度漣波也好, servo stiffness也好, 原理都適用, 不同的是機械結構, 而結構不同, 共振就不同, 一定會有不一樣的性能特性.

最後, 您提到encoder解析度, 的確, 增加解析度, 應該會讓調機有變容易的傾向, 因為原本細分割不到的, 現在更細緻了, 但是說有幾倍剛性的提升我的偏見是應該沒有那麼具有戲劇性.

B3  2021年 02月06日 13:44


您好,這樣想的話齒輪齒排似乎剛性比線馬跟螺桿佳,因承靠在鑄件上,能傳達更大的力到移載的機具上,這樣想不知正不正確


原 PO - B4  2021年 02月08日 11:34


Xavier0968您好,

是否齒輪齒排的剛性可以比螺桿佳這一點我覺得要看減速比, 如果減速比大一些也許可以容易做到貌似剛性提高, 這些其實都是源自於減速的效果。

減速比高,則槓桿效果大, 出少少的力氣就可以得到大大的力量輸出。

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