伺服電機在使用中常見問題解析

 

一．前言： 

　　伺服系統(tǒng)是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，它能提供最高水平的動態(tài)響應(yīng)和扭矩密度，所以拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進和AC變頻調(diào)速驅(qū)動，以便使系統(tǒng)性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現(xiàn)伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點有所了解。本文將淺析伺服電機在使用中的常見問題。 

 

二．噪聲，不穩(wěn)定 

　　客戶在一些機械上使用伺服電機時，經(jīng)常會發(fā)生噪聲過大，電機帶動負載運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時，許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機質(zhì)量不好，因為有時換成步進電機或是變頻電機來拖動負載，噪聲和不穩(wěn)定現(xiàn)象卻反而小很多。表面上看，確實是伺服電機的原故，但我們仔細分析伺服電機的工作原理后，會發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯誤的。 

 

交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅(qū)動、伺服電機和一個反饋傳感器（一般伺服電機自帶光學(xué)偏碼器）。所有這些部件都在一個控制閉環(huán)系統(tǒng)中運行：驅(qū)動器從外部接收參數(shù)信息，然后將一定電流輸送給電機，通過電機轉(zhuǎn)換成扭矩帶動負載，負載根據(jù)它自己的特性進行動作或加減速，傳感器測量負載的位置，使驅(qū)動裝置對設(shè)定信息值和實際位置值進行比較，然后通過改變電機電流使實際位置值和設(shè)定信息值保持一致，當(dāng)負載突然變化引起速度變化時，偏碼器獲知這種速度變化后會馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器又通過改變提供給伺服電機的電流值來滿足負載的變化，并重新返回到設(shè)定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負載波動和速度較正之間的時間滯后響應(yīng)是非常快的，此時，真正限制了系統(tǒng)響應(yīng)效果的是機械連接裝置的傳遞時間。

 

　　舉一個簡單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過V形帶傳動一個恒定速度、大慣性的負載。整個系統(tǒng)需要獲得恒定的速度和較快的響應(yīng)特性，分析其動作過程： 當(dāng)驅(qū)動器將電流送到電機時，電機立即產(chǎn)生扭矩；一開始，由于V形帶會有彈性，負載不會加速到象電機那樣快；伺服電機會比負載提前到達設(shè)定的速度，此時裝在電機上的偏碼器會削弱電流，繼而削弱扭矩； 隨著V型帶張力的不斷增加會使電機速度變慢，此時驅(qū)動器又會去增加電流，周而復(fù)始。 

 

　　在此例中，系統(tǒng)是振蕩的，電機扭矩是波動的，負載速度也隨之波動。其結(jié)果當(dāng)然會是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是來源于機械傳動裝置，是由于伺服系統(tǒng)反應(yīng)速度(高)與機械傳遞或者反應(yīng)時間（較長）不相匹配而引起的，即伺服電機響應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)整新的扭矩所需的時間。 

 

　　找到了問題根源所在，再來解決當(dāng)然就容易多了，針對以上例子，您可以：（1）增加機械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機械傳動部位的響應(yīng)時間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動或用齒輪箱代替V型帶。（2）降低伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少伺服系統(tǒng)的控制帶寬，如降低伺服系統(tǒng)的增益參數(shù)值。 

 

　　當(dāng)然，以上只是噪起，不穩(wěn)定的原因之一，針對不同的原因，會有不同的解決辦法，如由機械共振引起的噪聲，在伺服方面可采取共振抑制，低通濾波等方法，總之，噪聲和不穩(wěn)定的原因，基本上都不會是由于伺服電機本身所造成。 

 

三．慣性匹配 

　　在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題！具體表現(xiàn)為：1在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；2在調(diào)試時（手動模式下），正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出。這樣，就有了慣量匹配的問題！ 

 

那到底什么是“慣量匹配”呢？ 

　　1.根據(jù)牛頓第二定律：“ 進給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動慣量J × 角加速度θ　角加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。 ”

 

　　2.進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM ＋ 電機軸換算的負載慣性動量JL負載慣量JL由（以工具機為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。

 

知道了什么是慣量匹配，那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢？ 

　　1．影響：傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。

 

　　2．確定：衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構(gòu)，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。 例如，CNC中心機通過伺服電機作高速切削時，當(dāng)負載慣量增加時，會發(fā)生：

　　1.控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；

　　2.當(dāng)機臺沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時，會發(fā)生較大誤差

 

　　1.一般伺服電機通常狀況下，當(dāng)JL ≦ JM,則上面的問題不會發(fā)生。 

　　2.當(dāng)JL ＝ 3×JM ，則馬達的可控性會些微降低，但對平常的金屬切削不會有影響。(高速曲線切削一般建議JL ≦ JM) 。

　　3.當(dāng)JL ≧3× JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現(xiàn)突出。

　　不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。 

 

四．問題三：伺服電機選型 

　　在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。 

　?。?）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況： 

　　　1.馬達最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。 

　　　2.馬達的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配。 

　　　3連續(xù)負載工作扭力≦馬達額定扭力

　　　4.馬達最大輸出扭力＞系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力） 

　?。?）選型計算： 

　　　1. 慣量匹配計算（JL/JM） 

　　　2. 回轉(zhuǎn)速度計算（負載端轉(zhuǎn)速，馬達端轉(zhuǎn)速） 

　　　3. 負載扭矩計算（連續(xù)負載工作扭矩，加速時扭矩）

 

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