伺服電機(jī)使用中有哪些問題？數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲補(bǔ)償控制方法,！

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(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)伺服電機(jī)的更好性能,，就必須對(duì)伺服電機(jī)的一些使用特點(diǎn)有所了解,。

伺服電機(jī)在使用中的常見問題：

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(shí),，經(jīng)常會(huì)發(fā)生噪聲過大,，電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時(shí),，許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機(jī)質(zhì)量不好,，因?yàn)橛袝r(shí)換成步進(jìn)電機(jī)或是變頻電機(jī)來拖動(dòng)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(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯(cuò)誤的,。

交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和一個(gè)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(gè)控制閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)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(dòng)負(fù)載,，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加減速,，傳感器測(cè)量負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)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(shí)，偏碼器獲知這種速度變化后會(huì)馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動(dòng)器,，驅(qū)動(dòng)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(gè)響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng),，負(fù)載波動(dòng)和速度較正之間的時(shí)間滯后響應(yīng)是非?？斓?，此時(shí)，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(shí)間,。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：有一臺(tái)機(jī)械,，是用伺服電機(jī)通過V形帶傳動(dòng)一個(gè)恒定速度、大慣性的負(fù)載,。整個(gè)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(dòng)作過程。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將電流送到電機(jī)時(shí),，電機(jī)立即產(chǎn)生扭矩,；一開始,，由于V形帶會(huì)有彈性,，負(fù)載不會(huì)加速到像電機(jī)那樣快,；伺服電機(jī)會(huì)比負(fù)載提前到達(dá)設(shè)定的速度,，此時(shí)裝在電機(jī)上的偏碼器會(huì)削弱電流,，繼而削弱扭矩,；隨著V型帶張力的不斷增加會(huì)使電機(jī)速度變慢,，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器又會(huì)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(dòng)的,，負(fù)載速度也隨之波動(dòng),。其結(jié)果當(dāng)然會(huì)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(dòng)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(shí)間（較長(zhǎng)）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(shí)間,。

找到了問題根源所在，再來解決當(dāng)然就容易多了,，針對(duì)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(dòng)部位的響應(yīng)時(shí)間,，如把V形帶更換成直接絲桿傳動(dòng)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(duì)不同的原因,，會(huì)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(huì)是由于伺服電機(jī)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(huì)碰到慣量問題,！

具體表現(xiàn)為：

1、在伺服系統(tǒng)選型時(shí),，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(jì)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(dòng)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(shí)（手動(dòng)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(tái)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(dòng)慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng),，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(dòng)量JM+電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL

負(fù)載慣量JL由（以工具機(jī)為例）工作臺(tái)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(dòng)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?

影響：

傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度,，穩(wěn)定性，動(dòng)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(huì)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(shí)有利，因此,，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),，慣量越小,，系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)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(shí)，當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí),，會(huì)發(fā)生：

（1）控制指令改變時(shí),，馬達(dá)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新指令的速度要求；

（2）當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí),，會(huì)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(huì)發(fā)生

②當(dāng)JL=3×JM，則馬達(dá)的可控性會(huì)些微降低,，但對(duì)平常的金屬切削不會(huì)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(huì)明顯下降,，在高速曲線切削時(shí)表現(xiàn)突出

不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)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。

問題三,、伺服電機(jī)選型

在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后,，就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)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：

●馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速,；

●馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配；

●連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力,；

●馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力（加速時(shí)扭力）,。

（2）選型計(jì)算：

●慣量匹配計(jì)算（JL/JM）

●回轉(zhuǎn)速度計(jì)算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速）

●負(fù)載扭矩計(jì)算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩,，加速時(shí)扭矩）

數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲擾動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償控制方法

噪聲通常定義為信號(hào)中的無用成分,，噪聲無處不在。在數(shù)控機(jī)床及其周圍環(huán)境中,，噪聲擾動(dòng)是不可避免的,，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度,。在數(shù)控機(jī)床控制柜中,，一般采用接地技術(shù),、屏蔽技術(shù),、隔離技術(shù)來消除噪聲擾動(dòng)信號(hào)的影響。

針對(duì)各種擾動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器并在伺服控制系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償是一種減少擾動(dòng)影響,、進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法,。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)伺服控制中擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行了補(bǔ)償控制方法研究,。KIM等設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊擾動(dòng)觀測(cè)器,，用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制，將模糊擾動(dòng)觀測(cè)器用于永磁同步電機(jī)的速度控制;ＲYOO等設(shè)計(jì)了一個(gè)魯棒擾動(dòng)觀測(cè)器,，在光盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn);LU等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計(jì)方法,，設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床伺服H∞魯棒控制器。

文中分析了噪聲擾動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響,，提出了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)與補(bǔ)償?shù)目刂品椒?通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移,，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來,，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波噪聲擾動(dòng)信號(hào)做了仿真試驗(yàn),。

數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動(dòng)影響

帶噪聲擾動(dòng)的半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方框簡(jiǎn)圖,。設(shè)來自插補(bǔ)器的位置指令信號(hào)為X(s)，伺服電機(jī)角位移輸出信號(hào)為Y(s),，設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制,，傳遞函數(shù)為噪聲擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動(dòng)信號(hào)本身有關(guān)，還與N(s)在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中作用點(diǎn)之前的部分有關(guān),。

噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法

進(jìn)給伺服系統(tǒng)中,，加入噪聲擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓信號(hào)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移,，將擾動(dòng)信號(hào)N(s)觀測(cè)出來,，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

由式(3)—(5)可得加入噪聲擾動(dòng)以及觀測(cè)與補(bǔ)償器后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s),，與式(2)完全一致,，說明針對(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法可以補(bǔ)償擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力,。

噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法仿真

位置控制器環(huán)節(jié),，采用PID控制，比例系數(shù)為8.1,，積分系數(shù)為0.002,，微分系數(shù)為0.032。對(duì)噪聲擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)補(bǔ)償仿真研究時(shí),，設(shè)位置指令輸入信號(hào)為2sin(0.4πt);噪聲擾動(dòng)為鋸齒波信號(hào),，幅值為0.5，周期為2s,。

當(dāng)不考慮噪聲擾動(dòng)信號(hào)時(shí),，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟蹤誤差如圖4所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.006mm范圍內(nèi);當(dāng)加入噪聲擾動(dòng)信號(hào)但不進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償時(shí),，跟蹤誤差如圖5所示,，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02mm范圍內(nèi);當(dāng)采用文中噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法后，跟蹤誤差,，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007mm范圍內(nèi),。對(duì)比說明所研究噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法，可有效提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力,。

結(jié)論

噪聲信號(hào)無處不在,，在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接口處，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度,。文中不是從硬件,，而是從軟件補(bǔ)償角度，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法:通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移,，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來,，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波擾動(dòng)信號(hào)的仿真表明:所提出觀測(cè)與補(bǔ)償方法能有效提高跟蹤精度,，提高系統(tǒng)抗干擾能力,。該方法是對(duì)硬件抗擾動(dòng)技術(shù)的一個(gè)有益補(bǔ)充。