关于伺服系统的一些基本概念

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1. 评价伺服系统技术水平的主要指标
(1) 功率变化率:功率变化率就是从能量观点,希望伺服电机在指定信号的作用下尽可能快的将输入电能转换为机械能,实现所期望的机械运动,实现快速响应。
功率变化率定义如下:
    Pr=dp/dt
其中:p=Tω
    Pr=d(Tω)/dt=Tdω/dt
其中:T=Jdω/dtdω/dt=T/J   
    Pr = T2 / J
伺服电机的功率变化率与伺服电机的最高转速的峰值扭矩温室保温被T和转子的转动惯量有关。
Kollmorgen公司的GoldLine系列直流无刷伺服电机的功率变化率比其它公司的伺服电机高出4—10倍。这是因为Kollmorgen公司的转矩角控制专利技术使Kollmogen伺服电机的转矩-转速特性几乎为矩形,而其它公司的伺服电机的转矩-转速特性近乎三角形。
(2) 单位电动机重量的功率(转矩)输出:这个指标反映伺服电机的磁极材料和铁心材料磁性能的好坏,绕组的绝缘等级的高低,轴和壳体材料机械强度的大小。这个指标对用于航天/航空领域的伺服电机非常重要。Kollmorgen伺服电机的主要优势就在于单位电机重量的输出功率(转矩)大。与其它公司的伺服电机比,尺寸小,重量轻。
(3) 转矩/惯量比:反映伺服电机的加/减速能力。Kollmorgen的小惯量伺服电机具有很高的加/减速能力,用于振动攻丝振动频率可达60 HzIL无铁心系列直线电机的最大加速度可达55—60 gg位重力加速度:9.8 m/s2);IC系列有铁心直线电机的最大加速度可达15—25 g
(4) 转矩脉动:伺服电机运行时,转矩的脉动对速度环是一种负载扰动,将引起电机速度的波动。特别是伺服电机低速运行时,由转矩脉动引起的速度波动直接影响系统的低速性能和调速范围。
伺服电机的转矩脉动主要是由谐波转矩引起的。产生谐波转矩的因素很多:有由定子铁心的槽产生的“齿谐波”转矩;有由有限的换向片数(直流有刷电机)或有限的转子位置的采样点数(直流无刷电机)产生的“换向谐波”转矩;有由磁场非矩形分布(对直流有刷电机或方波电流驱动的直流无刷电机)或非正弦分布(对正弦波电流驱动的直流无刷电机)产生的“磁场分布谐波”转矩。这些谐波转矩迭加在输出转矩上,产生转矩脉动。
Kollmorgen采用了许多技术来减小转矩的脉动:利用定子铁心迭片的“斜槽”来减小“齿谐波”转矩;利用转子磁极的形状获得近似正弦的磁场分布,减小“磁场分布谐波”转矩;对正弦波电流驱动的GoldLine系列直流无刷伺服电机增加转子位置的采样点数来减小“换向谐波”转矩。因此,Kollmorgen伺服电机的转矩脉动小,低速性能好,调速范围大。
2. 伺服系统的可靠性
系统的可靠性是在规定的条件下和规定的时间内完成所要求的功能的能力。伺服系统的可靠性包括伺服电机的可靠性和伺服放大器与伺服电源的可靠性两部分。
应该指出产品的可靠性是设计出来的而不是制造出来的,产品设计本身不可靠,制造质量
再好的产品还是不可靠产品;反过来,可靠的产品设计必须经过可靠的产品制造过程才能制造出可靠的产品。经过质量保证体系认证的企业制造的产品的质量能很好的符合产品可靠性设计要求。
电子产品(伺服放大器,伺服电源)的可靠性指标是“平均无故障工作时间(MTBF)”,对可修复的产品而言,指两个相临故障的平均时间间隔,它是一个统计数据。电机产品的可靠性指标是电机绕组的寿命。
2.1    伺服电机的可靠性指标
电机的可靠性指标是绕组的寿命。GoldLine系列伺服电机绕组的寿命是9年,78840 h
2.2    伺服放大器和伺服电机的可靠性指标
使用MTBF作为衡量伺服放大器和伺服电源的可靠性指标。以CNC系统为例,推荐的MTBF值为:
        3000 h5000 h7500 h10000 h
Kollmorgen公司对BDS4ABDS5AVFS5PSR4/5AD5个系列从1990年到1996年统计的平均MTBF=80,541 h。使用的MTBF计算公式如下:
        MTBF=t / ln1-r
其中:t =以小时(h)为单位的服务时间。t = 40 h / 周;173 h / 月;6/售出年。
          r = 产品返修率(%)
2.3    产品质量认证
Kollmorgen的下列电子产品通过了UL(美国保险商实验所)认证;CUL认证;CE EMC TCFCE Low Voltage TCF
GoldLine系列产品:BDS4A3—55 Amp);BDS5A3—55 Amp);PSR4/5A12
  —85 Amp)。
        ServoStar S系列产品:Sx03—Sx85PA08PA14PA28PA50PA75PA85
PALM
        ServoStar CD系列产品:Cx03Cx06Cx10
        ServoStar 600系列产品:3610颗粒级配1420 Amp4070 AmpULCUL
  认证待完成。
        ServoStar MC系列产品:ULCUL认证在进行中。
        ServoStar SC系列产品:3—10 Amp
    Kollmorgen的下列伺服电机完成了UL认证:
        GoldLine系列产品:B/BE 102A/BB/BE 104106A/B/CM/ME 103—109A/B/C/D/E
                        B/BE 202—208A/B/C/D/E/FM/ME 203—209A/B/C/D/E
                        B/BE 402—408A/B/C/D/E/FM/ME 403—409A/B/C/D/E
                        B/BE 602—608A/B/C/D/E/FM/ME 603—609A/B/C/D/E
                        B/BE 802—808A/B/C/D/E/FM/ME 803—809A/B/C/D/E
                        B 412WB 414W/VM 413WB 612AM 615A
        EB系列产品:10X20X物联网实验设备40X60X80X已报表
        RBE系列产品:RBE系列电机没有UL认证。
        GoldLine XT系列产品:XT15xxXT3xxXT5xxXT7xx
        Platinum系列产品:PLATINUM XT系列;直接驱动直线电机没有UL认证
        BH系列产品:12x22x42x62x82x
        GoldLine DDR系列产品:D06D08大灯高度可调D10
3.    伺服系统的速度调整
伺服系统,按定义,包括为了控制或调节性能的要求使用的反馈装置。对于伺服电机/放大器,反馈由与电动机连接的测速计(或其它装置)提供,指示电动机的速度。这个装置给出了系统的速度调整。
速度调整可能是一个模糊用语。它通常用运行速度的百分数表示指定的最大允许偏差。这个速度的百分数应该与电动机的最大速度或个别指令速度有关。其次,速度调整被规定为短期(short-term(即时)或长期调整。速度调整还与指定的运行速度范围有关。
3.1    短期调整
短期或即时调整的概念意味着对系统校正速度的变化的立即响应。为了使系统响应,首先必须检测用测速计信号表示的速度变化。系统的响应时间被包括放大器增益和带宽在内的因素,进一步被延迟。对典型系统这些延迟将是几毫秒。
其它因素也影响可获得的速度调整量。这些因素中的某些是伺服系统内部的,在其它的因素中认为是外部作用。
测速信号的脉动是影响系统内部调整的一个因素。在连接到放大器总的输入上,输入的指
令信号与测速反馈信号(具有相反的极性)相加产生速度误差信号。这个信号被放大,为电动机提供电流来校正任何偏差。放大器响应测速电压的变化,不管什么原因来自电动机速度的变化或测速计本身的电压的脉动都将引起测速电压的变化。为此,速度调整实际上等于用测速计控制速度。不管怎样,增加一个位置环是有利的,有助于减小速度波动。
当系统中电动机的转矩脉动时另外考虑。转矩脉动将有引起速度脉动的趋势。测速,当然,对任何负载的改变引起的速度变化将进行校正。将系统的带宽做得比较大可以作到这点。带宽定义为系统可以响应的频率。以100Hz带宽的系统为例,意味着在100 Hz上系统可以响应且以相对增益0.707进行校正,响应降低了3 DB。如果在给定的运行速度上,电动机转矩的脉动频率是在放大器的带宽之内,系统将调节。放大器的带宽是一个衡量对电动机和负载惯量进行补偿的能力。
对外部因素的速度调整是考虑系统对负载在量值和频率两个方面变化的补偿作用。
一些概括性的陈述是围绕着我们系统的调整。我们的有刷和无刷系统通常可以提供1 %或更好的短期调整。这意味着对于1000 RPM的电动机,速度偏差不大于+/-10 RPM。我们的低脉动测速计可以进一步将调整向下降到0.5 %
3.2    长期调整
长期调整规定了在以分,小时或更长的有意义的时间间隔内采用相同的输入指令,系统提供相同速度的能力。对于这个讨论,我们将认为是在对放大器元件在数月或数年之后发生的长期老化影响以前的时间间隔。调整将受放大器元件的温度系数和测速计磁铁的影响。这些变化是放大器的偏移和与电动机连接的测速计的KB。请注意,标准的无刷电机系统只使用旋变反馈,测速计的系数将不是因素。
长期调整在最坏的情况下将是12 %。主要考虑放大器和电动机测速计的最大运行温度范围。在许多产品上50 %以上使用低漂移运算放大器。已经成为温度稳定的系统的长期调整好于10倍或0.10.2 %
如果要求更好的长期调整,使用位置环围绕控制器速度环将得到时钟频率精度程度的调整。这是因为速度当前还受基于时间的位移指令的控制,对伺服系统进行不精确的校正。
3.3    菌类生产结论
从这个讨论可见,有许多因素影响速度调整的不同方面。关于系统速度调整问题的解决受
对与用户细节有关的信息的了解和负载信息的限制。
4. 转矩的脉动
4.1    伺服系统的运行模式
在详细说明伺服系统的转矩脉动之前,先讨论伺服系统的运行模式。系统的运行模式由转矩闭环或速度闭环决定。如果伺服系统用于张力设备将使用不带速度反馈的转矩控制伺服环。在这个应用中,电动机的固有的转矩脉动分量是从驱动放大器感应产生的。如果伺服系统作为轴进给伺服(磨床的轴驱动),它将在速度闭环中被控制。在这些应用中速度环带宽将决定如何适当的用伺服补偿它的固有转矩脉动分量。无槽电机的设计数据是为速度闭环伺服模式提出的。
4.2    转矩脉动说明
转矩脉动必须被输出的负载和速度限定。对于负载,规定的最明显的额定点是对伺服电机连续运行发热转矩的定额。在这点上,电动机的磁路被足够的定子安-匝加载励磁,在连续运行区将产生铁心饱和作用的最坏的情况。于是,电动机转矩脉动特性的现实画面被得到。
在转矩脉动数据上的速度决定于伺服系统的带宽和转矩脉动主要分量的频率。该速度必须足够低,以至于系统的惯量不能衰减出现的转矩变化。还有,速度应该足够高,以至于确定的脉动频率接近系统的带宽。符合这些判据的一个合理的速度很容易将频率转换为每电动机转的周期,是60 rpm。全部测试数据的产生在这个速度上给出。

本文发布于:2024-09-23 21:30:18,感谢您对本站的认可!

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