交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用分析（驅(qū)動(dòng)和機(jī)械連接選擇 | 機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用特征功能選擇）

一、前言

目前，基于稀土永磁體的交流永磁伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，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)用新的電機(jī)更好地改善系統(tǒng)性能，就必須對(duì)這一技術(shù)的特點(diǎn)有一個(gè)深刻的理解。事實(shí)上，如果僅簡(jiǎn)單用新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代傳統(tǒng)的電機(jī)，而未進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，將會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的問(wèn)題，并且有時(shí)候甚至?xí)箼C(jī)器的特性降低。

二、驅(qū)動(dòng)和機(jī)械連接選擇

所有驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的成功都取決于對(duì)全部系統(tǒng)參數(shù)的仔細(xì)選擇。因而就需要對(duì)現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)做到很好的理解(有些性能參數(shù)非常高，但要完全理解卻比較困難)。事實(shí)上，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不單純的取決于電機(jī)，而是一個(gè)完整的復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這就導(dǎo)致了在設(shè)計(jì)上具有更大的自由性，比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置需要選擇更多的參數(shù)。

從概念性的觀點(diǎn)來(lái)看，一個(gè)高性能的交流永磁伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類似于在標(biāo)準(zhǔn)磁感電機(jī)上，增加了一組揚(yáng)聲器的功放。從而使電機(jī)具有非常短的響應(yīng)時(shí)間及有限的慣性，因此可使電機(jī)盡最大限度的適應(yīng)各種控制信號(hào)。就像揚(yáng)聲器一樣，最終控制品質(zhì)更多的是依靠所選擇的系統(tǒng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)條件而不是依靠電機(jī)本身。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面對(duì)設(shè)計(jì)選擇，不但要考慮機(jī)械、電子和電力等方面的各種參數(shù)，同時(shí)還要考慮其相互間的影響。總體來(lái)說(shuō)，所有系統(tǒng)都要求做下述兩個(gè)基本選擇：機(jī)械方面：機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的選擇，傳動(dòng)比的選擇，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換方式的選擇，以及聯(lián)軸器和離合器的選擇。電子方面：反饋方式，傳感器類型和數(shù)量的選擇，傳感器的安裝方式，放大器的類型，同步和控制總線等的選擇。

下面內(nèi)容，可幫助設(shè)計(jì)者針對(duì)應(yīng)用特征的功能進(jìn)行選擇。

1、伺服驅(qū)動(dòng)：操作規(guī)則，性能特征和限制

所有的交流永磁伺服系統(tǒng)包括：電力驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和至少一個(gè)反饋傳感器。所有這些部件都在一個(gè)控制閉環(huán)中系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器從外面接收參數(shù)信息，然后將電流輸送給電機(jī)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加速，傳感器測(cè)量負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)參數(shù)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)際位置值和參數(shù)信息值保持一致。

例如：要求一個(gè)恒定速度，驅(qū)動(dòng)裝置將不斷增加電機(jī)電流直到電機(jī)實(shí)際速度和要求速度一致。如果負(fù)載突然加大，速度將被減小，傳感器捕捉出這種速度改變，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)增加電機(jī)扭矩去滿足負(fù)載的增加，并重新返回到設(shè)定的速度。

通過(guò)這個(gè)例子，可得出如下結(jié)論：

速度精度幾乎與負(fù)載和電機(jī)無(wú)關(guān)，而只取決于傳感器信號(hào)的質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)器的速度與控制算法。

負(fù)載波動(dòng)與速度校正之間的時(shí)間滯后，完全取決于速度、傳感器的分辨率以及電力驅(qū)動(dòng)裝置的參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)代交流永磁伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于具備非常高的閉環(huán)特性，可在毫秒級(jí)或者更小的時(shí)間滯后中就能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)作出反應(yīng)。然而，在這一點(diǎn)上，通過(guò)機(jī)械連軸器的傳遞時(shí)間通常成了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果的最主要的限制。

例如：假設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)，用伺服電機(jī)通過(guò)同步齒型帶驅(qū)動(dòng)一個(gè)恒定速度的、大慣性的負(fù)載。齒型帶有效、定長(zhǎng)且有彈性。試想，要獲得毫秒級(jí)的速度校正能力，可得出下列結(jié)論：

1、驅(qū)動(dòng)器一旦將電流送到電機(jī)，電機(jī)須立即產(chǎn)生扭矩。

2、一開始，齒型帶會(huì)變形伸長(zhǎng)，負(fù)載不會(huì)加速到象電機(jī)那樣快。

3、從而，電機(jī)比負(fù)載提前達(dá)到設(shè)定的速度，裝在電機(jī)上的傳感器則削弱電流，繼而終削弱扭矩。

4、 隨著齒型帶張力的不斷增加使電機(jī)速度變慢，迫使驅(qū)動(dòng)器又去增加電流，一個(gè)新的周期又開始了。

在這個(gè)例子中，系統(tǒng)是振蕩的，電機(jī)扭矩是脈動(dòng)式的，負(fù)載速度也隨之脈動(dòng)。其結(jié)果是噪音、過(guò)熱和磨損，這沒有一樣是由于電機(jī)的緣故。然而膚淺的使用者將認(rèn)為電機(jī)是噪音源，事實(shí)上，如果用老式的大機(jī)座大慣性電機(jī)更換電機(jī)，這種問(wèn)題就有可能消失，這就給人一種錯(cuò)覺，似乎新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不是很有效。這種簡(jiǎn)單的理解是錯(cuò)誤的，事實(shí)上，分析以上例子：這種不穩(wěn)定性，是由于系統(tǒng)反應(yīng)速度(高)與機(jī)械傳遞或者反應(yīng)時(shí)間(過(guò)長(zhǎng))不相匹配而引起。即電機(jī)反應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)整新的扭矩所須的時(shí)間。

可行的解決方案是：

1、要么，減少機(jī)械系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間--通過(guò)增強(qiáng)聯(lián)軸器的剛性和降低系統(tǒng)慣性；如直接驅(qū)動(dòng)或用齒輪箱代替齒型帶。要么，降低控制系統(tǒng)的速度-通過(guò)放棄一些控制帶寬；而這需要用新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、當(dāng)然要犧牲一些品質(zhì)，如降低對(duì)突變負(fù)載波動(dòng)的快速反應(yīng)能力。

事實(shí)上，老式驅(qū)動(dòng)裝置都很慢，它是用大電機(jī)的慣性補(bǔ)償速度的不足。另一方面，由于交流伺服電機(jī)的慣性是很小的，因而就需要一個(gè)好的控制帶寬以保證良好的旋轉(zhuǎn)精度。所有這些都可說(shuō)明，為什么交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械方面精度差，如反向間隙、鍵槽等因素?zé)o關(guān)。因?yàn)檫@個(gè)原因，最好的電機(jī)都制造成不帶鍵槽的圓形光軸，并采用帶錐度的緊配合連接。其輸出軸和法蘭均需精密加工以便省去柔性連接器。如果必須有柔性連接器，那它必須有抗扭剛性，如金屬波紋管型。

由于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(永磁直流電機(jī)，交流變頻電機(jī))自身的慣性和響應(yīng)時(shí)間限制了其使用性能，因而具有更好應(yīng)用性能的高水平新型交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就克服了傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的諸多機(jī)械限制。因此，今天機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證或系統(tǒng)升級(jí)，比以往任何時(shí)候都更為重要。新應(yīng)用的成功與否與整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

從上面簡(jiǎn)單的例子中還可以得出以下準(zhǔn)則：速度精度只取決于傳感器，而與電機(jī)無(wú)關(guān)；跟隨速度和對(duì)突變負(fù)載波動(dòng)的補(bǔ)償能力，完全取決機(jī)械連接器剛性和品質(zhì)。在差的或改型后的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常聽到的噪音，既不是來(lái)源于電機(jī)，也不是驅(qū)動(dòng)器，而是來(lái)源于"原始的"機(jī)械連接器。事實(shí)上，噪音是由于電機(jī)"捕捉"正確扭矩而產(chǎn)生，在這種情況下，電機(jī)有可能產(chǎn)生與負(fù)載無(wú)關(guān)的過(guò)熱。

在同一系統(tǒng)中，老式的電機(jī)也許會(huì)正常工作，這是由于大基座電機(jī)的慣性，"掩蓋"了其所有的不足。對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)要求的分析是選擇電機(jī)的基礎(chǔ)。為達(dá)此目的，這一廣泛的概念可分解為兩個(gè)因素：

1、大信號(hào)帶寬：這是產(chǎn)生足夠扭矩和速度的根本，可在非常短的時(shí)間內(nèi)，迫使負(fù)載達(dá)到理想的運(yùn)行軌跡。這完全取決于電機(jī)、負(fù)載扭矩和系統(tǒng)慣性，且須將系統(tǒng)所有部件按無(wú)限剛性部件進(jìn)行研究。

2、小的信號(hào)帶寬或控制帶寬：其數(shù)值與穩(wěn)定時(shí)間的倒數(shù)相關(guān)。一般須低于系統(tǒng)中的任何機(jī)械共振頻率，其倒數(shù)值為控制環(huán)的穩(wěn)定時(shí)間(如在滿足所需精度的前提下，在運(yùn)動(dòng)命令的末尾，要到達(dá)目標(biāo)位置所需的時(shí)間)。

典型的，要想使溫定時(shí)間達(dá)到所有負(fù)載和連接器上振蕩或共振所需滯后時(shí)間的2-3倍，這是不可能的。舉個(gè)例子，假設(shè)有一臺(tái)高速?zèng)_床的分度軸，其額定速率定為10次/秒，即工件位置每秒變化10次。如果整個(gè)連接鏈(軸，減速器，傳動(dòng)帶，滾珠絲杠等)的共振頻率為50Hz，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間大約50-60ms,只剩下40ms去移動(dòng)和沖切。由于需要非常高的扭矩和加速性能， 所以這種應(yīng)用幾乎是不可能的。然而，如果增強(qiáng)傳動(dòng)鏈的剛性(如用長(zhǎng)絲杠代替?zhèn)鲃?dòng)帶等)，那么傳動(dòng)鏈的共振頻率可增至100Hz，穩(wěn)定時(shí)間減少至25-30ms,移動(dòng)時(shí)間翻倍，所需的扭矩減半，應(yīng)用也就沒有問(wèn)題。

2、最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)換方式，聯(lián)軸器

像所有其他電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)的大小是按輸出的扭矩而不是按輸出功率來(lái)確定。因此，在所有的應(yīng)用中，低的電機(jī)速度將產(chǎn)生低的額定功率和相對(duì)低的效率。另一方面，交流伺服電機(jī)沒有最小速度限制(其速度僅由所用的傳感器來(lái)決定，如某些應(yīng)用中，其軸的速度是每年轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn))，因此，若有人提議用高速齒輪，這只能減少電機(jī)的重量(如電力牽引)或提高效率。從費(fèi)用或動(dòng)態(tài)性能的觀點(diǎn)來(lái)看，則不提倡這種方案。無(wú)論在什么地方，只要電機(jī)直接作用于負(fù)載，控制帶寬就是最大化的，因?yàn)檫@已達(dá)到了最大化的傳輸剛性。因此，這些應(yīng)用可提供最佳的位置控制和具有最短的穩(wěn)定時(shí)間的跟隨精度。

在為具體系統(tǒng)選擇適當(dāng)驅(qū)動(dòng)方式之前，有必要先了解一下可用的機(jī)械傳輸方式。最常用的傳輸方式有以下幾種：

旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換：齒型帶；帶有螺旋輪和平行軸的減速器；擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器；諧波驅(qū)動(dòng)；正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。

旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換：齒型帶；齒輪齒條；金屬帶；滾珠絲杠。

對(duì)任何傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，負(fù)載參數(shù)都能按以下方式轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸的參數(shù)。

如果n=傳動(dòng)比(電機(jī)與負(fù)載載速度之比，若從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)則為rad/m)；電機(jī)扭矩=負(fù)載扭矩(或推力)/n ；電機(jī)速度=負(fù)載速度譶；減至電機(jī)軸端的負(fù)載慣性=負(fù)載慣性(或質(zhì)量)/n2 。

在上面例舉出來(lái)的傳輸方式中，第一種齒型帶是最便宜的，同時(shí)也是最慢的，他們只能用于小的控制帶寬(小于10Hz，使用高剛性齒型帶)，為避免傳輸?shù)诫姍C(jī)軸的負(fù)載慣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)本身的慣性，那么選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比就尤為重要。齒型帶類傳輸方式不能用于周期時(shí)間遠(yuǎn)小于1秒鐘的位置控制場(chǎng)合。如果齒輪減速器的齒隙比系統(tǒng)要求的精度低很多的情況下，齒輪減速器的確是很好的解決方案。最好的減速器(也是最貴的)就是外擺線。有很多特殊系列的擺線和外擺線減速器，是專門針對(duì)伺服控制而設(shè)計(jì)的，其輸出軸的齒隙被限制在每分鐘1-3arc。只有這樣的減速器才能具體用于控制帶寬高于10Hz的應(yīng)用場(chǎng)合。伺服系列減速器均被設(shè)計(jì)成用剛性聯(lián)軸器直接與電機(jī)軸相連，一般不用鍵槽。諧波驅(qū)動(dòng)齒輪箱被設(shè)計(jì)為專用于位置控制。它具體積小、傳動(dòng)比大、反向間隙小等特點(diǎn)。其剛性并不是很好，可取得的控制帶寬1。

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審核編輯 黃宇