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伺服電機常見問題辨析

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(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動,以便使系統(tǒng)性能達(dá)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。

問題一

噪聲,不穩(wěn)定

有些使用者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(fù)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(jìn)電機或是變頻電機來拖動負(fù)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(xì)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(fù)載,負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動作或加減速,傳感器測量負(fù)載的位置,使驅(qū)動裝置對設(shè)定信息值和實際位置值進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)載波動和速度較正之間的時間滯后響應(yīng)是非??斓模藭r,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(fù)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(fù)載不會加速到象電機那樣快;伺服電機會比負(fù)載提前到達(dá)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(fù)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。

問題二

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(臺達(dá)伺服慣量比參數(shù)為1-37,JL/JM)。這樣,就有了慣量匹配的問題!

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(jìn)行選擇和確認(rèn)。

(1)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(dá)最大轉(zhuǎn)速系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。

2.馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。

3.連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力。

4.馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時扭力)。

(2)選型計算:

1.慣量匹配計算(JL/JM)。

2.回轉(zhuǎn)速度計算(負(fù)載端轉(zhuǎn)速,馬達(dá)端轉(zhuǎn)速)。

負(fù)載扭矩計算(連續(xù)負(fù)載工作扭矩,加速時扭矩)。

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