一、前言

       目前，基于稀土永磁體的交流永磁伺服驅動系統，能提供高水平的動態響應和扭矩密度。所以拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取替傳統的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動，以便使系統性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現用新的電機更好地改善系統性能，就必須對這一技術的特點有一個深刻的理解。事實上，如果僅簡單用新的驅動技術取代傳統的電機，而未進行新的設計，將會產生一些意想不到的問題，并且有時候甚至會使機器的特性降低。二、驅動和機械連接選擇       所有驅動應用的成功都取決于對全部系統參數的仔細選擇。因而就需要對現代交流伺服驅動系統的性能指標做到很好的理解(有些性能參數非常高，但要完全理解卻比較困難)。事實上，交流伺服驅動系統并不單純的取決于電機，而是一個完整的復雜的控制系統，這就導致了在設計上具有更大的自由性，比傳統的驅動裝置需要選擇更多的參數。       從概念性的觀點來看，一個高性能的交流永磁伺服電機驅動系統類似于在標準磁感電機上，增加了一組揚聲器的功放。從而使電機具有非常短的響應時間及有限的慣性，因此可使電機盡大限度的適應各種控制信號。就像揚聲器一樣，終控制品質更多的是依靠所選擇的系統參數和驅動條件而不是依靠電機本身。       系統設計者面對設計選擇，不但要考慮機械、電子和電力等方面的各種參數，同時還要考慮其相互間的影響?？傮w來說，所有系統都要求做下述兩個基本選擇：　　機械方面：機械聯動裝置的選擇，傳動比的選擇，運動轉換方式的選擇，以及聯軸器和離合器的選擇。電子方面：反饋方式，傳感器類型和數量的選擇，傳感器的安裝方式，放大器的類型，同步和控制總線等的選擇。       下面內容，可幫助設計者針對應用特征的功能進行選擇。1、伺服驅動：操作規則，性能特征和限制        所有的交流永磁伺服系統包括：電力驅動、伺服電機和至少一個反饋傳感器。所有這些部件都在一個控制閉環中系統中運行：驅動器從外面接收參數信息，然后將電流輸送給電機，通過電機轉換成扭矩，然后帶動負載，負載根據它自己的特性進行動作或加速，傳感器測量負載的位置，使驅動裝置對參數信息值和實際位置值進行比較，然后通過改變電機電流使實際位置值和參數信息值保持一致。       例如：要求一個恒定速度，驅動裝置將不斷增加電機電流直到電機實際速度和要求速度一致。如果負載突然加大，速度將被減小，傳感器捕捉出這種速度改變，驅動器通過增加電機扭矩去滿足負載的增加，并重新返回到設定的速度。公眾號《機械工程文萃》，工程師的加油站！       通過這個例子，可得出如下結論：        速度精度幾乎與負載和電機無關，而只取決于傳感器信號的質量和驅動器的速度與控制算法。       負載波動與速度校正之間的時間滯后，完全取決于速度、傳感器的分辨率以及電力驅動裝置的參數設置。現代交流永磁伺服驅動系統由于具備非常高的閉環特性，可在毫秒級或者更小的時間滯后中就能夠對傳感器信號作出反應。然而，在這一點上，通過機械連軸器的傳遞時間通常成了系統動態響應效果的主要的限制。       例如：假設有一個系統，用伺服電機通過同步齒型帶驅動一個恒定速度的、大慣性的負載。齒型帶有效、定長且有彈性。試想，要獲得毫秒級的速度校正能力，可得出下列結論：       1、驅動器一旦將電流送到電機，電機須立即產生扭矩。       2、一開始，齒型帶會變形伸長，負載不會加速到象電機那樣快。       3、從而，電機比負載提前達到設定的速度，裝在電機上的傳感器則削弱電流，繼而終削弱扭矩。       4、 隨著齒型帶張力的不斷增加使電機速度變慢，迫使驅動器又去增加電流，一個新的周期又開始了。       在這個例子中，系統是振蕩的，電機扭矩是脈動式的，負載速度也隨之脈動。其結果是噪音、過熱和磨損，這沒有一樣是由于電機的緣故。然而膚淺的使用者將認為電機是噪音源，事實上，如果用老式的大機座大慣性電機更換電機，這種問題就有可能消失，這就給人一種錯覺，似乎新的驅動系統并不是很有效。這種簡單的理解是錯誤的，事實上，分析以上例子：這種不穩定性，是由于系統反應速度(高)與機械傳遞或者反應時間(過長)不相匹配而引起。即電機反應快于系統調整新的扭矩所須的時間。       可行的解決方案是：       1、要么，減少機械系統的反應時間--通過增強聯軸器的剛性和降低系統慣性；如直接驅動或用齒輪箱代替齒型帶。要么，降低控制系統的速度-通過放棄一些控制帶寬；而這需要用新的技術來實現。       2、當然要犧牲一些品質，如降低對突變負載波動的快速反應能力。       事實上，老式驅動裝置都很慢，它是用大電機的慣性補償速度的不足。另一方面，由于交流伺服電機的慣性是很小的，因而就需要一個好的控制帶寬以保證良好的旋轉精度。所有這些都可說明，為什么交流伺服電機驅動系統與機械方面精度差，如反向間隙、鍵槽等因素無關。因為這個原因，好的電機都制造成不帶鍵槽的圓形光軸，并采用帶錐度的緊配合連接。其輸出軸和法蘭均需精密加工以便省去柔性連接器。如果必須有柔性連接器，那它必須有抗扭剛性，如金屬波紋管型。       由于傳統驅動系統(永磁直流電機，交流變頻電機)自身的慣性和響應時間限制了其使用性能，因而具有更好應用性能的高水平新型交流伺服驅動系統就克服了傳統應用場合的諸多機械限制。因此，機械系統的設計驗證或系統升級，比以往任何時候都更為重要。新應用的成功與否與整個系統的動態設計密切相關。       從上面簡單的例子中還可以得出以下準則：速度精度只取決于傳感器，而與電機無關； 跟隨速度和對突變負載波動的補償能力，完全取決機械連接器剛性和品質。在差的或改型后的應用系統中，經常聽到的噪音，既不是來源于電機，也不是驅動器，而是來源于"原始的"機械連接器。事實上，噪音是由于電機"捕捉"正確扭矩而產生，在這種情況下，電機有可能產生與負載無關的過熱。公眾號《機械工程文萃》，工程師的加油站！       在同一系統中，老式的電機也許會正常工作，這是由于大基座電機的慣性，"掩蓋"了其所有的不足。對應用系統動態要求的分析是選擇電機的基礎。為達此目的，這一廣泛的概念可分解為兩個因素：        1、大信號帶寬：這是產生足夠扭矩和速度的根本，可在非常短的時間內，迫使負載達到理想的運行軌跡。這完全取決于電機、負載扭矩和系統慣性，且須將系統所有部件按無限剛性部件進行研究。       2、小的信號帶寬或控制帶寬：其數值與穩定時間的倒數相關。一般須低于系統中的任何機械共振頻率，其倒數值為控制環的穩定時間(如在滿足所需精度的前提下，在運動命令的末尾，要到達目標位置所需的時間)。       典型的，要想使溫定時間達到所有負載和連接器上振蕩或共振所需滯后時間的2-3倍，這是不可能的。舉個例子，假設有一臺高速沖床的分度軸，其額定速率定為10次/秒，即工件位置每秒變化10次。如果整個連接鏈(軸，減速器，傳動帶，滾珠絲杠等)的共振頻率為50Hz，系統穩定時間大約50-60ms,只剩下40ms去移動和沖切。由于需要非常高的扭矩和加速性能， 所以這種應用幾乎是不可能的。然而，如果增強傳動鏈的剛性(如用長絲杠代替傳動帶等)，那么傳動鏈的共振頻率可增至100Hz，穩定時間減少至25-30ms,移動時間翻倍，所需的扭矩減半，應用也就沒有問題。2、優化驅動設計：傳動比、轉換方式，聯軸器       像所有其他電機一樣，交流伺服電機的大小是按輸出的扭矩而不是按輸出功率來確定。因此，在所有的應用中，低的電機速度將產生低的額定功率和相對低的效率。另一方面，交流伺服電機沒有小速度限制(其速度僅由所用的傳感器來決定，如某些應用中，其軸的速度是每年轉1轉)，因此，若有人提議用高速齒輪，這只能減少電機的重量(如電力牽引)或提高效率。從費用或動態性能的觀點來看，則不提倡這種方案。無論在什么地方，只要電機直接作用于負載，控制帶寬就是大化的，因為這已達到了大化的傳輸剛性。因此，這些應用可提供佳的位置控制和具有短的穩定時間的跟隨精度。       在為具體系統選擇適當驅動方式之前，有必要先了解一下可用的機械傳輸方式。常用的傳輸方式有以下幾種：        旋轉到旋轉的轉換：齒型帶；帶有螺旋輪和平行軸的減速器；擺線及外擺線轉減速器； 諧波驅動；正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。       旋轉到直線運動轉換：齒型帶；齒輪齒條；金屬帶；滾珠絲杠。       對任何傳輸系統來說，負載參數都能按以下方式轉換成電機軸的參數。      如果n=傳動比(電機與負載載速度之比，若從直線運動轉為旋轉則為rad/m)；　　電機扭矩=負載扭矩(或推力)/n ；電機速度=負載速度譶；減至電機軸端的負載慣性=負載慣性(或質量)/n2 。       在上面例舉出來的傳輸方式中，種齒型帶是便宜的，同時也是慢的，他們只能用于小的控制帶寬(小于10Hz，使用高剛性齒型帶)，為避免傳輸到電機軸的負載慣性遠遠大于電機本身的慣性，那么選擇適當的傳動比就尤為重要。齒型帶類傳輸方式不能用于周期時間遠小于1秒鐘的位置控制場合。如果齒輪減速器的齒隙比系統要求的精度低很多的情況下，齒輪減速器的確是很好的解決方案。好的減速器(也是貴的)就是外擺線。有很多特殊系列的擺線和外擺線減速器，是專門針對伺服控制而設計的，其輸出軸的齒隙被限制在每分鐘1-3arc。只有這樣的減速器才能具體用于控制帶寬高于10Hz的應用場合。伺服系列減速器均被設計成用剛性聯軸器直接與電機軸相連，一般不用鍵槽。諧波驅動齒輪箱被設計為專用于位置控制。它具體積小、傳動比大、反向間隙小等特點。其剛性并不是很好，可取得的控制帶寬1。