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淺析伺服電機在使用中的常見問題

深圳市科瑞特自動化技術(shù)有限公司 ? 2023-08-03 08:09 ? 次閱讀
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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。

問題一: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??斓?,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,負載不會加速到像電機那樣快;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,以上只是噪聲、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!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?

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。

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。

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。

(1)選型條件 — 一般情況下,選擇伺服電機需滿足下列情況:

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

馬達的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配;

連續(xù)負載工作扭力≦馬達額定扭力;

馬達最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時扭力)。

(2)選型計算

慣量匹配計算(JL/JM)

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

負載扭矩計算(連續(xù)負載工作扭矩,加速時扭矩)

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