伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié),它能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩密度,所以拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng),以便使系統(tǒng)性能達(dá)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(zhǎng)的壽命。為了實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的更好性能,就必須對(duì)伺服電機(jī)的一些使用特點(diǎn)有所了解。
問(wèn)題一:噪聲,不穩(wěn)定
客戶在一些機(jī)械上使用伺服電機(jī)時(shí),經(jīng)常會(huì)發(fā)生噪聲過(guò)大,電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象,出現(xiàn)此問(wèn)題時(shí),許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機(jī)質(zhì)量不好,因?yàn)橛袝r(shí)換成步進(jìn)電機(jī)或是變頻電機(jī)來(lái)拖動(dòng)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(shí)是伺服電機(jī)的原故,但我們仔細(xì)分析伺服電機(jī)的工作原理后,會(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯(cuò)誤的。
交流伺服系統(tǒng)包括:伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和一個(gè)反饋傳感器(一般伺服電機(jī)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(tǒng)中運(yùn)行:驅(qū)動(dòng)器從外部接收參數(shù)信息,然后將一定電流輸送給電機(jī),通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩帶動(dòng)負(fù)載,負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加減速,傳感器測(cè)量負(fù)載的位置,使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)設(shè)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(jī)電流使實(shí)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(shí),偏碼器獲知這種速度變化后會(huì)馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器又通過(guò)改變提供給伺服電機(jī)的電流值來(lái)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(gè)響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng),負(fù)載波動(dòng)和速度較正之間的時(shí)間滯后響應(yīng)是非常快的,此時(shí),真正限制了系統(tǒng)響應(yīng)效果的是機(jī)械連接裝置的傳遞時(shí)間。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子:有一臺(tái)機(jī)械,是用伺服電機(jī)通過(guò)V形帶傳動(dòng)一個(gè)恒定速度、大慣性的負(fù)載。整個(gè)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(dòng)作過(guò)程。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將電流送到電機(jī)時(shí),電機(jī)立即產(chǎn)生扭矩;一開始,由于V形帶會(huì)有彈性,負(fù)載不會(huì)加速到像電機(jī)那樣快;伺服電機(jī)會(huì)比負(fù)載提前到達(dá)設(shè)定的速度,此時(shí)裝在電機(jī)上的偏碼器會(huì)削弱電流,繼而削弱扭矩;隨著V型帶張力的不斷增加會(huì)使電機(jī)速度變慢,此時(shí)驅(qū)動(dòng)器又會(huì)去增加電流,周而復(fù)始。
在此例中,系統(tǒng)是振蕩的,電機(jī)扭矩是波動(dòng)的,負(fù)載速度也隨之波動(dòng)。其結(jié)果當(dāng)然會(huì)是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過(guò),這都不是由伺服電機(jī)引起的,這種噪聲和不穩(wěn)定性,是來(lái)源于機(jī)械傳動(dòng)裝置,是由于伺服系統(tǒng)反應(yīng)速度(高)與機(jī)械傳遞或者反應(yīng)時(shí)間(較長(zhǎng))不相匹配而引起的,即伺服電機(jī)響應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)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(dāng)然就容易多了,針對(duì)以上例子,您可以:
(1)增加機(jī)械剛性和降低系統(tǒng)的慣性,減少機(jī)械傳動(dòng)部位的響應(yīng)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(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,以上只是噪聲、不穩(wěn)定的原因之一,針對(duì)不同的原因,會(huì)有不同的解決辦法,如由機(jī)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(huì)是由于伺服電機(jī)本身所造成。
問(wèn)題二:慣性匹配
在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中,常會(huì)碰到慣量問(wèn)題!
具體表現(xiàn)為:
1、在伺服系統(tǒng)選型時(shí),除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外,我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量,再根據(jù)機(jī)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(jī);
2、在調(diào)試時(shí)(手動(dòng)模式下),正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題,此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出(臺(tái)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(wèn)題!
那到底什么是“慣量匹配”呢?
1、根據(jù)牛頓第二定律:“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J×角加速度θ
角加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng),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(dá)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(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM+電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL
負(fù)載慣量JL由(以工具機(jī)為例)工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,伺服電機(jī)選定后,此值就為定值,而JL則隨工件等負(fù)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(duì)伺服系統(tǒng)的精度,穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響,慣量大,系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大,響應(yīng)慢,會(huì)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(shí)有利,因此,機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下,應(yīng)盡量減小慣量。
確定:
衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),慣量越小,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大,馬達(dá)的負(fù)載也就越大,越難控制,但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu),對(duì)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(jī)通過(guò)伺服電機(jī)作高速切削時(shí),當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí),會(huì)發(fā)生:
(1)控制指令改變時(shí),馬達(dá)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新指令的速度要求;
(2)當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí),會(huì)發(fā)生較大誤差:
①一般伺服電機(jī)通常狀況下,當(dāng)JL≦JM,則上面的問(wèn)題不會(huì)發(fā)生
②當(dāng)JL=3×JM,則馬達(dá)的可控性會(huì)些微降低,但對(duì)平常的金屬切削不會(huì)有影響。(高速曲線切削一般建議JL≦JM)
③當(dāng)JL≧3×JM,馬達(dá)的可控性會(huì)明顯下降,在高速曲線切削時(shí)表現(xiàn)突出
不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)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(jī)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(jī)選型
在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后,就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)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(jī)需滿足下列情況:
● 馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速;
● 馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配;
● 連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力;
● 馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時(shí)扭力)。
(2)選型計(jì)算:
● 慣量匹配計(jì)算(JL/JM)
● 回轉(zhuǎn)速度計(jì)算(負(fù)載端轉(zhuǎn)速,馬達(dá)端轉(zhuǎn)速)
● 負(fù)載扭矩計(jì)算(連續(xù)負(fù)載工作扭矩,加速時(shí)扭矩)
-
驅(qū)動(dòng)器
+關(guān)注
關(guān)注
52文章
8232瀏覽量
146280 -
伺服電機(jī)
+關(guān)注
關(guān)注
85文章
2046瀏覽量
57833
原文標(biāo)題:淺析伺服電機(jī)在使用中的常見(jiàn)問(wèn)題
文章出處:【微信號(hào):industrial_robot,微信公眾號(hào):國(guó)聯(lián)視訊工業(yè)機(jī)器人信息服務(wù)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論