淺析伺服電機(jī)在使用中的常見問題
一．前言：
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(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動，以便使系統(tǒng)性能達(dá)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(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的更好性能，就必須對伺服電機(jī)的一些使用特點(diǎn)有所了解。本文將淺析伺服電機(jī)在使用中的常見問題。
二．問題
問題一：噪聲，不穩(wěn)定
客戶在一些機(jī)械上使用伺服電機(jī)時，經(jīng)常會發(fā)生噪聲過大，電機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)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(jī)質(zhì)量不好，因為有時換成步進(jìn)電機(jī)或是變頻電機(jī)來拖動負(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(jī)和一個反饋傳感器（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控制閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)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(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩帶動負(fù)載，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動作或加減速，傳感器測量負(fù)載的位置，使驅(qū)動裝置對設(shè)定信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過改變電機(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，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(jī)的電流值來滿足負(fù)載的變化，并重新返回到設(shè)定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負(fù)載波動和速度較正之間的時間滯后響應(yīng)是非常快的，此時，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間。
舉一個簡單例子：有一臺機(jī)械，是用伺服電機(jī)通過V形帶傳動一個恒定速度、大慣性的負(fù)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(jī)時，電機(jī)立即產(chǎn)生扭矩；一開始，由于V形帶會有彈性，負(fù)載不會加速到象電機(jī)那樣快；伺服電機(jī)會比負(fù)載提前到達(dá)設(shè)定的速度，此時裝在電機(jī)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(jī)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(jī)扭矩是波動的，負(fù)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(jī)引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是來源于機(jī)械傳動裝置，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)時間（較長）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(jī)械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機(jī)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，以上只是噪起，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(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，基本上都不會是由于伺服電機(jī)本身所造成。
三．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(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機(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(jī)；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(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(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)慣性動量JM ＋ 電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動量JL
負(fù)載慣量JL由（以工具機(jī)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(yùn)動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？
1．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(jī)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(jī)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。
2．確定：衡量機(jī)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(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)通過伺服電機(jī)作高速切削時，當(dāng)負(fù)載慣量增加時，會發(fā)生：1.控制指令改變時，馬達(dá)需花費(fèi)較多時間才能達(dá)到新指令的速度要求；2.當(dāng)機(jī)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(jī)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(dá)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(dá)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(jī)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(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。
四．問題三：伺服電機(jī)選型
在選擇好機(jī)械傳動方案以后，就必須對伺服電機(jī)的型號和大小進(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：
1.馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。
2.馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。
3連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力
4.馬達(dá)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：
1. 慣量匹配計算（JL/JM）
2. 回轉(zhuǎn)速度計算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速）
負(fù)載扭矩計算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時扭矩）
