時間:2023-12-12 10:00:04來源:中國傳動網
伺服系統必須具備可控性好、穩定性高和適應性強等基本性能。交流伺服系統的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、轉矩波動、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。
調速范圍是指電機的最高轉速與最低平穩轉速之比。低檔的伺服系統調速范圍在1∶1000以上,一般的在1∶5000~1∶10000,高性能的可以達到1∶100000以上。定位精度取決于編碼器的脈沖數與驅動器對編碼器的倍頻細分數,例如2048線的編碼器,在其倍頻數為2048的條件下,理論定位精度可以達到360°/(2048×2048)。 過去在測量技術比較落后的情況下,用戶還采取附加措施來提高系統的精度,例如將測量元件(如自整角機)的測量軸通過減速器與轉軸相連,使轉軸的轉角得到放大,來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統稱為精測粗測系統或雙通道系統。
通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱為精讀數通道,直接取自轉軸的測角線路稱為粗讀數通道。穩速精度,尤其是低速(比如速度給定1r/min時)下的穩速精度,一般在±0.1r/min以內,高性能的可以達到±0.01r/min以內。通常情況下,一些驅動器還以其額定轉速的百分數來作為速度精度,例如西門子伺服驅動器的理想速度精度通常為其額定轉速的0.001%。
轉矩波動也是衡量伺服系統性能的指標,它是由驅動器、電機以及負載共同決定的。性能優良的伺服系統其轉矩波動要求在±3%的范圍內。通常,衡量動態響應的指標是系統最高響應頻率和上升時間。上升時間指當速度設定點突然變化到實際速度穩定在設定值±2%的范圍的時間,其中包括系統的死區延遲。最高響應頻率即給定最高頻率的正弦速度指令,系統輸出速度波形的相位滯后不超過90°或者幅值不小于71%(-3dB)。如圖所示,X(t)與Y(t)信號分別為系統的輸入與輸出。
時域范圍內的信號曲線
另外,從頻域上分析,系統的帶寬反映伺服系統跟蹤的快速性。帶寬越大,快速性越好。根據速度閉環的伯德圖,可以得到系統的帶寬。伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行機構的慣性的限制,慣性越大,帶寬越窄。通常情況下,伺服系統的帶寬會隨著功率范圍的增加而變小。目前大部分產品的速度頻帶在200~500Hz,少數產品可以達到更高,如三菱伺服電機MR-J3系列的響應頻率聲稱可高達900Hz。
速度閉環的伯德圖
運行穩定性主要是指系統在電壓波動、負載波動、電機參數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾以及其他特殊運行條件下,維持穩定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面我國產品(包括部分臺灣產品)和世界先進水平相比差距較大。
影響伺服系統性能的因素
(1)電機
電機是伺服系統的重要組成部分,電機執行能力的好壞將決定整個伺服系統的控制特性。常見的伺服電機可以分為直流調速電機與交流調速電機。和直流電機相比,交流伺服電機沒有直流電機的換向器和電刷等帶來的缺點。同時,電機的轉動慣量、轉子阻抗、電刷結構以及散熱等都會影響伺服系統的性能。
(2)編碼器
編碼器作為控制的反饋元件,也是影響系統精度的重要因素。首先,編碼器的脈沖數會直接影響系統的定位和速度控制精度;其次,編碼器的最高轉速也制約電機的最大轉速。目前,用于伺服控制系統的編碼器通常為光電編碼器,分為增量式、絕對值、正余弦以及旋轉變壓器等類型。編碼器的抗干擾能力會給系統的穩定性帶來直接的影響。對于永磁同步電機,正確的轉子位置識別也是控制的前提,因此,編碼器能提供給驅動器正確的轉子位置,也是控制的關鍵。
(3)驅動器
驅動器是伺服控制的核心。根據電機類型的不同,驅動器也分為不同的種類,如晶體管放大驅動器、直流驅動器及交流驅動器,目前工控行業比較常見的是交流驅動器。例如,西門子公司推出的Sinamics S120驅動器,其實是通過SPWM方式來控制電機的,其控制方式是空間矢量控制。通常情況下,電流環與速度環都是在驅動器中實現的,而位置控制可以在運動控制器中完成,也可以在驅動器中實現。電流環與速度環的閉環特性是衡量一個控制系統性能的標準,如電流環與速度環的采樣周期,速度環與電流環的帶寬,控制回路上的各種濾波、延遲等,都會影響系統的精度與動態響應能力。
(4)運動控制器
運動控制是在驅動器的速度環基礎上,增加了位置控制、齒輪同步、凸輪、插補等運動控制功能的控制方式。 運動控制器對驅動器的控制方式有3種,即數字通信方式、模擬量方式、脈沖方式。
、贁底滞ㄐ欧绞剑悍直媛矢,信號傳輸快速、可靠,可以實現高性能的靈活控制,需要通信協議。例如,西門子的Simotion與驅動器之間的數據交換采用基于Profibus或Profinet的Profidrive協議。還有其他一些歐系公司采用CAN總線的方式,日系安川公司推出了基于MECHATROLINK總線的驅動產品,通過以上的總線方式,實現了傳動與運動控制器之間的數據傳輸控制,特別適合于需要各軸間的協調同步和插補控制的應用,除了實現機械所必需的轉矩、位置、速度控制功能以外,還可實現要求精度極高的相位協調控制等。
、谀M量方式:分辨率低,信號可靠性與抗干擾性能差,但兼容性好。例如,西門子的運動控制器Simotion與第三方驅動器之間的控制可以通過模擬量的方式來實現。
、勖}沖方式:可靠性高,快速性差,靈活性差。驅動對象為步進電機。
在系統選型配置過程中,運動控制器對驅動器的控制方式是設計者需要考慮的重要因素。通信是最穩定、快捷的控制方式,同時要考慮通信的傳輸速度。通信周期受通信速率與數據量大小的制約,以西門子的運動控制器Simotion為例,在傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下,控制6個以上的軸時,系統的通信周期默認為3ms。同時,受通信周期的限制,運動控制器的插補周期與位置環采樣周期通常為通信周期的整數倍。對于運動控制器來說,其插補周期與位置環采樣周期是衡量系統性能的關鍵。
(5)機械傳動
電機通?繖C械傳動結構(如聯軸器、齒輪箱、絲杠、傳送帶、機械凸輪等)與負載相接。這樣,聯軸器的剛性、齒輪間隙、傳送帶的松緊都會影響系統的控制精度。例如,對于直線移動的執行部件,電機通?客狡л喕蛘呓z杠進行連接,同步皮帶輪的嚙合間隙或者絲杠螺母的滾珠與滾道間隙等,都會對直線運動位移精度造成影響。而對于機械凸輪,必須保證速度或加速度邊界條件,才能使系統不至于產生機械諧振。
(6)負載
作為控制的最終對象,負載對系統性能的影響也不可忽略。負載的轉動慣量的大小會影響系統的動態特性,如轉動慣量大,其加速與停止過程中會要求系統的輸出扭矩大,要求驅動器的驅動能力高。另外,負載與電機的轉動慣量比也會影響系統的性能,轉動慣量比越小,控制越容易,但電機的效率越低;慣量比大,會給系統的高頻帶來諧振點,從而增加控制難度。關于負載與電機慣量比的分配,可以參考BoschRexroth公司給出的“適配標準” :快速定位<2∶1,修正定位<5∶1,高速率變換<10∶1。
轉動慣量
概念
轉動慣量是表征剛體轉動慣性大小、衡量剛體抵抗旋轉運動的慣性的物理量。其地位相當于剛體平動中的質量,它與剛體的質量以及質量相對于轉軸的分布有關。
物理意義
直接理解轉動慣量比較抽象,但是我們可以用我們最常見、最直觀的質量來做類比。
如果我們用同樣的力在兩個質量不同的物體上作用,質量重的那個物體速度變化慢。因此質量的物理意義為可以反映出物體平動狀態下的慣性:質量越大,則慣性越大,即越難改變平動運動時它的運動狀態(從靜止開始,質量大的物體比質量小的物體更難被加速)。
同理,如果我們用同樣的力矩(使物體平動的叫力,使物體轉動的叫力矩)作用在物體上想讓它轉動,不同的物體轉動的角速度變化(類似于平動中的加速度)的快慢也不同,影響角速度變化快慢的這個因素就是轉動慣量。即轉動慣量反映物體轉動下的慣性:轉動慣量大的物體角速度難于被改變。
公式
其中: 為剛體的轉動慣量, 是每一個微元的質量, 為每一個微元到轉軸的距離。
1、相同質量的物體,質量的分布(每一個微元距轉軸的距離)如果不同,其轉動慣量也不同。
2、質量分布均勻的物體,質量不同其轉動慣量也不同。
平動和轉動中物理量關系
(7)安裝
待上述對象都得到確認后,現場裝置的安裝也會給整個系統帶來新的問題,比如如何做好系統的接地,如何避免EMC干擾,使用合適的屏蔽電纜等,都是系統設計不可忽視的問題。例如,在編碼器的電纜屏蔽層沒有真正接地的情況下,反饋信號會夾雜著噪聲,這種噪聲對控制的精度有很大的影響,甚至會導致裝置停機。
(8)系統的成套性
在整個運動控制系統的設計中,建議使用者盡可能采用同一廠家的產品,包括運動控制器、驅動器、伺服電機等,保證系統的成套性,因為這樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的問題。單獨購買各部件所帶來的問題首先是連接順序的復雜化,電機、驅動終端和反饋設備(包括編碼器、分解器、霍爾傳感器等)可以有多種不同的連接次序。采用同一供應商的電機和驅動器還有一個好處,就是能更好地安裝、調試軟件,并確保其兼容性 。另外,每一款電機的參數都不一致,與其匹配的驅動器都有其默認參數,從電機參數的識別方式來看,驅動器也有專有的識別方式。對于第三方電機,驅動器所能夠識別的程序可能不夠準確;而在精密的運動控制系統中,一個參數的差別可能會影響電機的驅動性能,從而影響控制精度。因此,建議用戶盡量采用同一廠家的配套產品。
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