伺服電機使用中的常見(jiàn)問(wèn)題

伺服電機使用中的常見(jiàn)問(wèn)題

       伺 服系統是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節，它能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應和扭矩密度，所以拖動(dòng)系統的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅動(dòng)取替傳統的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調速驅動(dòng)，以便使系統性能達到一個(gè)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(cháng)的壽命。為了實(shí)現伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點(diǎn)有所了解。本文將淺析伺服電機在使用中的常見(jiàn)問(wèn)題。

       問(wèn)題一噪聲，不穩定

       客戶(hù)在一些機械上使用伺服電機時(shí)，經(jīng)常會(huì )發(fā)生噪聲過(guò)大，電機帶動(dòng)負載運轉不穩定等現象，出現此問(wèn)題時(shí)，許多使用者的第一反應就是伺服電機質(zhì)量不好，因為有時(shí)換成步進(jìn)電機或是變頻電機來(lái)拖動(dòng)負載，噪聲和不穩定現象卻反而小很多。表面上看，確實(shí)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(huì )發(fā)現這種結論是完全錯誤的。

交流伺服系統包括：伺服驅動(dòng)、伺服電機和一個(gè)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(gè)控制閉環(huán)系統中運行：驅動(dòng)器從外部接收參數信息，然后將一定電流輸送給電機，通過(guò)電機轉換成扭矩帶動(dòng)負載，負載根據它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加減速，傳感器測量負載的位置，使驅動(dòng)裝置對設定信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過(guò)改變電機電流使實(shí)際位置值和設定信息值保持一致，當負載突然變化引起速度變化時(shí)，偏碼器獲知這種速度變化后會(huì )馬上反應給伺服驅動(dòng)器，驅動(dòng)器又通過(guò)改變提供給伺服電機的電流值來(lái)滿(mǎn)足負載的變化，并重新返回到設定的速度。交流伺服系統是一個(gè)響應非常高的全閉環(huán)系統，負載波動(dòng)和速度較正之間的時(shí)間滯后響應是非?？斓?，此時(shí)，真正限制了系統響應效果的是          機械連接裝置的傳遞時(shí)間。

        舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過(guò)V形帶傳動(dòng)一個(gè)恒定速度、大慣性的負載。整個(gè)系統需要獲得恒定的速度和較快的響應特性，分析其動(dòng)作過(guò)程。

當驅動(dòng)器將電流送到電機時(shí)，電機立即產(chǎn)生扭矩；一開(kāi)始，由于V形帶會(huì )有彈性，負載不會(huì )加速到像電機那樣快；伺服電機會(huì )比負載提前到達設定的速度，此時(shí)裝在電機上的偏碼器會(huì )削弱電流，繼而削弱扭矩；隨著(zhù)V型帶張力的不斷增加會(huì )使電機速度變慢，此時(shí)驅動(dòng)器又會(huì )去增加電流，周而復始。

在此例中，系統是振蕩的，電機扭矩是波動(dòng)的，負載速度也隨之波動(dòng)。其結果當然會(huì )是噪音、磨損、不穩定了。不過(guò)，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩定性，是來(lái)源于機械傳動(dòng)裝置，是由于伺服系統反應速度（高）與機械傳遞或者反應時(shí)間（較長(cháng)）不相匹配而引起的，即伺服電機響應快于系統調整新的扭矩所需的時(shí)間。

找到了問(wèn)題根源所在，再來(lái)解決當然就容易多了，針對以上例子，您可以：

      （1）增加機械剛性和降低系統的慣性，減少機械傳動(dòng)部位的響應時(shí)間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動(dòng)或用齒輪箱代替V型帶；

      （2）降低伺服系統的響應速度，減少伺服系統的控制帶寬，如降低伺服系統的增益參數值。

       當然，以上只是噪聲、不穩定的原因之一，針對不同的原因，會(huì )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，噪聲和不穩定的原因，基本上都不會(huì )是由于伺服電機本身所造成。

      問(wèn)題二 慣性匹配

      在伺服系統選型及調試中，常會(huì )碰到慣量問(wèn)題！

      具體表現為：

     1、在伺服系統選型時(shí)，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換算到電機軸的慣量，再根據機械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來(lái)具體選擇具有合適慣量大小的電機；

    2、在調試時(shí)（手動(dòng)模式下），正確設定慣量比參數是充分發(fā)揮機械及伺服系統最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統上表現由為突出（臺達伺服慣量比參數為1-37，JL/JM）。這樣，就有了慣量匹配的問(wèn)題！

      那到底什么是“慣量匹配”呢?

      1、根據牛頓第二定律：“進(jìn)給系統所需力矩T=系統傳動(dòng)慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統的動(dòng)態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統執行完畢的時(shí)間越長(cháng)，系統反應越慢。如果θ變化，則系統反應將忽快忽慢，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應該盡量小。

      2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機的旋轉慣性動(dòng)量JM+電機軸換算的負載慣性動(dòng)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(xiàn)和旋轉運動(dòng)件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，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?

      影響：

      傳動(dòng)慣量對伺服系統的精度，穩定性，動(dòng)態(tài)響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會(huì )使系統的固有頻率下降，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速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機械設計時(shí)在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。

確定：

      衡量機械系統的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統的動(dòng)態(tài)特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。例如，CNC中心機通過(guò)伺服電機作高速切削時(shí)，當負載慣量增加時(shí)，會(huì )發(fā)生：

     （1）控制指令改變時(shí)，馬達需花費較多時(shí)間才能達到新指令的速度要求；

     （2）當機臺沿二軸執行弧式曲線(xiàn)快速切削時(shí)，會(huì )發(fā)生較大誤差：

        ①一般伺服電機通常狀況下，當JL≦JM，則上面的問(wèn)題不會(huì )發(fā)生

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

        ③當JL≧3×JM，馬達的可控性會(huì )明顯下降，在高速曲線(xiàn)切削時(shí)表現突出

        不同的機構動(dòng)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機械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來(lái)確定。

        問(wèn)題三 伺服電機選型

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

       （1）選型條件—一般情況下，選擇伺服電機需滿(mǎn)足下列情況：

          ● 馬達最大轉速>系統所需之最高移動(dòng)轉速；

          ● 馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配；

          ● 連續負載工作扭力≦馬達額定扭力；

          ● 馬達最大輸出扭力>系統所需最大扭力（加速時(shí)扭力）。

         （2）選型計算：

          ●  慣量匹配計算（JL/JM）

          ● 回轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速）

          ● 負載扭矩計算（連續負載工作扭矩，加速時(shí)扭矩）