關於伺服系統的一些基本概念

2022-07-24 11:42:04 字數 4451 閱讀 3272

1. 評價伺服系統技術水平的主要指標

(1) 功率變化率:功率變化率就是從能量觀點,希望伺服電機在指定訊號的作用下盡可能快的將輸入電能轉換為機械能,實現所期望的機械運動,實現快速響應。

功率變化率定義如下:

pr=dp/dt

其中:p=tω

pr=d(tω)/dt=tdω/dt

其中:t=jdω/dt,dω/dt=t/j

pr = t2 / j

伺服電機的功率變化率與伺服電機的最高轉速的峰值扭矩t和轉子的轉動慣量有關。

—10倍。這是因為kollmorgen公司的轉矩角控制專利技術使kollmogen伺服電機的轉矩-轉速特性幾乎為矩形,而其它公司的伺服電機的轉矩-轉速特性近乎三角形。

(2) 單位電動機重量的功率**矩)輸出:這個指標反映伺服電機的磁極材料和鐵心材料磁性能的好壞,繞組的絕緣等級的高低,軸和殼體材料機械強度的大小。這個指針對用於航天/航空領域的伺服電機非常重要。

kollmorgen伺服電機的主要優勢就在於單位電機重量的輸出功率**矩)大。與其它公司的伺服電機比,尺寸小,重量輕。

(3) 轉矩/慣量比:反映伺服電機的加/減速能力。kollmorgen的小慣量伺服電機具有很高的加/減速能力,用於振動攻絲振動頻率可達60 hz。

il無鐵心系列直線電機的最大加速度可達55—60 g(g位重力加速度:9.8 m/s2);ic系列有鐵心直線電機的最大加速度可達15—25 g。

(4) 轉矩脈動:伺服電機執行時,轉矩的脈動對速度環是一種負載擾動,將引起電機速度的波動。特別是伺服電機低速執行時,由轉矩脈動引起的速度波動直接影響系統的低速效能和調速範圍。

伺服電機的轉矩脈動主要是由諧波轉矩引起的。產生諧波轉矩的因素很多:有由定子鐵心的槽產生的「齒諧波」轉矩;有由有限的換向片數(直流有刷電機)或有限的轉子位置的取樣點數(直流無刷電機)產生的「換向諧波」轉矩;有由磁場非矩形分布(對直流有刷電機或方波電流驅動的直流無刷電機)或非正弦分布(對正弦波電流驅動的直流無刷電機)產生的「磁場分布諧波」轉矩。

這些諧波轉矩迭加在輸出轉矩上,產生轉矩脈動。

kollmorgen採用了許多技術來減小轉矩的脈動:利用定子鐵心迭片的「斜槽」來減小「齒諧波」轉矩;利用轉子磁極的形狀獲得近似正弦的磁場分布,減小「磁場分布諧波」轉矩;對正弦波電流驅動的goldline系列直流無刷伺服電機增加轉子位置的取樣點數來減小「換向諧波」轉矩。因此,kollmorgen伺服電機的轉矩脈動小,低速效能好,調速範圍大。

2. 伺服系統的可靠性

系統的可靠性是在規定的條件下和規定的時間內完成所要求的功能的能力。伺服系統的可靠性包括伺服電機的可靠性和伺服放大器與伺服電源的可靠性兩部分。

應該指出產品的可靠性是設計出來的而不是製造出來的,產品設計本身不可靠,製造質量再好的產品還是不可靠產品;反過來,可靠的產品設計必須經過可靠的產品製造過程才能製造出可靠的產品。經過質量保證體系認證的企業製造的產品的質量能很好的符合產品可靠性設計要求。

電子產品(伺服放大器,伺服電源)的可靠性指標是「平均無故障工作時間(mtbf)」,對可修復的產品而言,指兩個相臨故障的平均時間間隔,它是乙個統計資料。電機產品的可靠性指標是電機繞組的壽命。

2.1 伺服電機的可靠性指標

電機的可靠性指標是繞組的壽命。goldline系列伺服電機繞組的壽命是9年,78840 h。

2.2 伺服放大器和伺服電機的可靠性指標

使用mtbf作為衡量伺服放大器和伺服電源的可靠性指標。以cnc系統為例,推薦的mtbf值為:

3000 h,5000 h,7500 h,10000 h

kollmorgen公司對bds4a,bds5a,vfs5,psr4/5a和d,5個系列從2023年到2023年統計的平均mtbf=80,541 h。使用的mtbf計算公式如下:

mtbf=t / ln(1-r)

其中:t =以小時(h)為單位的服務時間。t = 40 h / 周;173 h / 月;6月/售出年。

r = 產品返修率(%)

2.3 產品質量認證

kollmorgen的下列電子產品通過了ul(美國保險商實驗所)認證;cul認證;ce emc tcf;ce low voltage tcf:

goldline系列產品:bds4a(3—55 amp);bds5a(3—55 amp);psr4/5a(12

—85 amp)。

servostar s系列產品:sx03—sx85;pa08,pa14,pa28,pa50,pa75,pa85

,palm。

servostar cd系列產品:cx03,cx06,cx10。

servostar 600系列產品:3,6,10,14和20 amp。40和70 amp的ul和cul

認證待完成。

servostar mc系列產品:ul和cul認證在進行中。

servostar sc系列產品:3—10 amp。

kollmorgen的下列伺服電機完成了ul認證:

goldline系列產品:b/be 102a/b;b/be 104,106a/b/c;m/me 103—109a/b/c/d/e

b/be 202—208a/b/c/d/e/f;m/me 203—209a/b/c/d/e;

b/be 402—408a/b/c/d/e/f;m/me 403—409a/b/c/d/e

b/be 602—608a/b/c/d/e/f;m/me 603—609a/b/c/d/e

b/be 802—808a/b/c/d/e/f;m/me 803—809a/b/c/d/e

b 412w;b 414w/v;m 413w;b 612a;m 615a

eb系列產品:10x,20x,40x,60x,80x已報表

rbe系列產品:rbe系列電機沒有ul認證。

goldline xt系列產品:xt15xx,xt3xx,xt5xx,xt7xx

platinum系列產品:platinum xt系列;直接驅動直線電機沒有ul認證

bh系列產品:12x,22x,42x,62x,82x

goldline ddr系列產品:d06,d08,d10

3. 伺服系統的速度調整

伺服系統,按定義,包括為了控制或調節效能的要求使用的反饋裝置。對於伺服電機/放大器,反饋由與電動機連線的測速計(或其它裝置)提供,指示電動機的速度。這個裝置給出了系統的速度調整。

速度調整可能是乙個模糊用語。它通常用執行速度的百分數表示指定的最大允許偏差。這個速度的百分數應該與電動機的最大速度或個別指令速度有關。

其次,速度調整被規定為短期(short-term)(即時)或長期調整。速度調整還與指定的執行速度範圍有關。

3.1 短期調整

短期或即時調整的概念意味著對系統校正速度的變化的立即響應。為了使系統響應,首先必須檢測用測速計訊號表示的速度變化。系統的響應時間被包括放大器增益和頻寬在內的因素,進一步被延遲。

對典型系統這些延遲將是幾毫秒。

其它因素也影響可獲得的速度調整量。這些因素中的某些是伺服系統內部的,在其它的因素中認為是外部作用。

測速訊號的脈動是影響系統內部調整的乙個因素。在連線到放大器總的輸入上,輸入的指令訊號與測速反饋訊號(具有相反的極性)相加產生速度誤差訊號。這個訊號被放大,為電動機提供電流來校正任何偏差。

放大器響應測速電壓的變化,不管什麼原因來自電動機速度的變化或測速計本身的電壓的脈動都將引起測速電壓的變化。為此,速度調整實際上等於用測速計控制速度。不管怎樣,增加乙個位置環是有利的,有助於減小速度波動。

當系統中電動機的轉矩脈動時另外考慮。轉矩脈動將有引起速度脈動的趨勢。測速,當然,對任何負載的改變引起的速度變化將進行校正。

將系統的頻寬做得比較大可以作到這點。頻寬定義為系統可以響應的頻率。以100hz頻寬的系統為例,意味著在100 hz上系統可以響應且以相對增益0.

707進行校正,響應降低了3 db。如果在給定的執行速度上,電動機轉矩的脈動頻率是在放大器的頻寬之內,系統將調節。放大器的頻寬是乙個衡量對電動機和負載慣量進行補償的能力。

對外部因素的速度調整是考慮系統對負載在量值和頻率兩個方面變化的補償作用。

一些概括性的陳述是圍繞著我們系統的調整。我們的有刷和無刷系統通常可以提供1 %或更好的短期調整。這意味著對於1000 rpm的電動機,速度偏差不大於+/-10 rpm。

我們的低脈動測速計可以進一步將調整向下降到0.5 %。

3.2 長期調整

長期調整規定了在以分,小時或更長的有意義的時間間隔內採用相同的輸入指令,系統提供相同速度的能力。對於這個討論,我們將認為是在對放大器元件在數月或數年之後發生的長期老化影響以前的時間間隔。調整將受放大器元件的溫度係數和測速計磁鐵的影響。

這些變化是放大器的偏移和與電動機連線的測速計的kb。請注意,標準的無刷電機系統只使用旋變反饋,測速計的係數將不是因素。

長期調整在最壞的情況下將是1或2 %。主要考慮放大器和電動機測速計的最大執行溫度範圍。在許多產品上50 %以上使用低漂移運算放大器。

已經成為溫度穩定的系統的長期調整好於10倍或0.1到0.2 %。

如果要求更好的長期調整,使用位置環圍繞控制器速度環將得到時鐘頻率精度程度的調整。這是因為速度當前還受基於時間的位移指令的控制,對伺服系統進行不精確的校正。

3.3 結論

位置伺服系統的基本結構形式

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