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伺服驱动:操作规则,性能特征和限制

伺服驱动:操作规则,性能特征和限制

点击数:7438 次   录入时间:03-04 11:50:32   整理:http://www.55dianzi.com   伺服系统
所有的交流永磁伺服系统包括:电力驱动、伺服电机和至少一个反馈传感器。所有这些部件都在一个控制闭环中系统中运行:驱动器从外面接收参数信息,然后将电流输送给电机,通过电机转换成扭矩,然后带动负载,负载根据它自己的特性进行动作或加速,传感器测量负载的位置,使驱动装置对参数信息值和实际位置值进行比较,然后通过改变电机电流使实际位置值和参数信息值保持一致。

例如:要求一个恒定速度,驱动装置将不断增加电机电流直到电机实际速度和要求速度一致。如果负载突然加大,速度将被减小,传感器捕捉出这种速度改变,驱动器通过增加电机扭矩去满足负载的增加,并重新返回到设定的速度。通过这个例子,可得出如下结论:

速度精度几乎与负载和电机无关,而只取决于传感器信号的质量和驱动器的速度与控制算法;
负载波动与速度校正之间的时间滞后,完全取决于速度、传感器的分辨率以及电力驱动装置的参数设置。

现代交流永磁伺服驱动系统由于具备非常高的闭环特性,可在毫秒级或者更小的时间滞后中就能够对传感器信号作出反应。

然而,在这一点上,通过机械连轴器的传递时间通常成了系统动态响应效果的最主要的限制。

例如:假设有一个系统,用伺服电机通过同步齿型带驱动一个恒定速度的、大惯性的负载。齿型带有效、定长且有弹性。试想,要获得毫秒级的速度校正能力,可得出下列结论:

1.驱动器一旦将电流送到电机,电机须立即产生扭矩;
2.一开始,齿型带会变形伸长,负载不会加速到象电机那样快;
3.从而,电机比负载提前达到设定的速度,装在电机上的传感器则削弱电流,继而终削弱扭矩;
4. 随着齿型带张力的不断增加使电机速度变慢,迫使驱动器又去增加电流,一个新的周期又开始了。

在这个例子中,系统是振荡的,电机扭矩是脉动式的,负载速度也随之脉动。其结果是噪音、过热和磨损,这没有一样是由于电机的缘故。然而肤浅的使用者将认为电机是噪音源,事实上,如果用老式的大机座大惯性电机更换电机,这种问题就有可能消失,这就给人一种错觉,似乎新的驱动系统并不是很有效。

这种简单的理解是错误的,事实上,分析以上例子:

这种不稳定性,是由于系统反应速度(高)与机械传递或者反应时间(过长)不相匹配而引起。即电机反应快于系统调整新的扭矩所须的时间。

可行的解决方案是:

1.要么,减少机械系统的反应时间--通过增强联轴器的刚性和降低系统惯性;如直接驱动或用齿轮箱代替齿型带。要么,降低控制系统的速度-通过放弃一些控制带宽;而这需要用新的技术来实现。

2. 当然要牺牲一些品质,如降低对突变负载波动的快速反应能力。事实上,老式驱动装置都很慢,它是用大电机的惯性补偿速度的不足。另一方面,由于交流伺服电机的惯性是很小的,因而就需要一个好的控制带宽以保证良好的旋转精度。

所有这些都可说明,为什么交流伺服电机驱动系统与机械方面精度差,如反向间隙、键槽等因素无关。因为这个原因,最好的电机都制造成不带键槽的圆形光轴,并采用带锥度的紧配合连接。其输出轴和法兰均需精密加工以便省去柔性连接器。如果必须有柔性连接器,那它必须有抗扭刚性,如金属波纹管型。

结论:由于传统驱动系统(永磁直流电机,交流变频电机)自身的惯性和响应时间限制了其使用性能,因而具有更好应用性能的高水平新型交流伺服驱动系统就克服了传统应用场合的诸多机械限制。因此,今天机械系统的设计验证或系统升级,比以往任何时候都更为重要。

新应用的成功与否与整个系统的动态设计密切相关。

从上面简单的例子中还可以得出以下准则:

速度精度只取决于传感器,而与电机无关;
跟随速度和对突变负载波动的补偿能力,完全取决机械连接器刚性和品质。

在差的或改型后的应用系统中,经常听到的噪音,既不是来源于电机,也不是驱动器,而是来源于"原始的"机械连接器。事实上,噪音是由于电机"捕捉"正确扭矩而产生,在这种情况下,电机有可能产生与负载无关的过热。

在同一系统中,老式的电机也许会正常工作,这是由于大基座电机的惯性,"掩盖"了其所有的不足。

对应用系统动态要求的分析是选择电机的基础。

为达此目的,这一广泛的概念可分解为两个因素:

大信号带宽:这是产生足够扭矩和速度的根本,可在非常短的时间内,迫使负载达到理想的运行轨迹。这完全取决于电机、负载扭矩和系统惯性,且须将系统所有部件按无限刚性部件进行研究;
小的信号带宽或控制带宽,其数值与稳定时间的倒数相关。一般须低于系统中的任何机械共振频率,其倒数值为控制环的稳定时间(如在满足所需精度的前提下,在运动命令的末尾,要到达目标位置所需的时间)。典型的,要想使温定时间达到所有负载和连接器上振荡或共振所需滞后时间的2-3倍,这是不可能的。

举个例子,假设有一台高速冲床的分度轴,其额定速率定为10次/秒,即工件位置每秒变化10次。如果整个连接链(轴,减速器,传动带,滚珠丝杠等)的共振频率为50Hz,系统稳定时间大约50-60ms,只剩下40ms去移动和冲切。由于需要非常高的扭矩和加速性能,所以这种应用几乎是不可能的。然而,如果增强传动链的刚性(如用长丝杠代替传动带等),那么传动链的共振频率可增至100Hz,稳定时间减少至25-30ms,移动时间翻倍,所需的扭矩减半,应用也就没有问题。

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