深度解析伺服電機在使用中的常見問題

伺服系統是機電產品中的重要環節，它能提供最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。為了實現伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點有所了解。

問題一：噪聲，不穩定

客戶在一些機械上使用伺服電機時，經常會發生噪聲過大，電機帶動負載運轉不穩定等現象，出現此問題時，許多使用者的第一反應就是伺服電機質量不好，因為有時換成步進電機或是變頻電機來拖動負載，噪聲和不穩定現象卻反而小很多。表面上看，確實是伺服電機的原故，但我們仔細分析伺服電機的工作原理後，會發現這種結論是完全錯誤的。

交流伺服系統包括：伺服驅動、伺服電機和一個反饋傳感器(一般伺服電機自帶光學偏碼器)。所有這些部件都在一個控制閉環系統中運行：驅動器從外部接收參數信息，然後將一定電流輸送給電機，通過電機轉換成扭矩帶動負載，負載根據它自己的特性進行動作或加減速，傳感器測量負載的位置，使驅動裝置對設定信息值和實際位置值進行比較，然後通過改變電機電流使實際位置值和設定信息值保持一致，當負載突然變化引起速度變化時，偏碼器獲知這種速度變化後會馬上反應給伺服驅動器，驅動器又通過改變提供給伺服電機的電流值來滿足負載的變化，並重新返回到設定的速度。交流伺服系統是一個響應非常高的全閉環系統，負載波動和速度較正之間的時間滯後響應是非常快的，此時，真正限制了系統響應效果的是機械連接裝置的傳遞時間。

舉一個簡單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過V形帶傳動一個恆定速度、大慣性的負載。整個系統需要獲得恆定的速度和較快的響應特性，分析其動作過程。

當驅動器將電流送到電機時，電機立即產生扭矩；一開始，由於V形帶會有彈性，負載不會加速到像電機那樣快；伺服電機會比負載提前到達設定的速度，此時裝在電機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速度變慢，此時驅動器又會去增加電流，周而復始。

在此例中，系統是振蕩的，電機扭矩是波動的，負載速度也隨之波動。其結果當然會是噪音、磨損、不穩定了。不過，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩定性，是來源於機械傳動裝置，是由於伺服系統反應速度（高）與機械傳遞或者反應時間（較長）不相匹配而引起的，即伺服電機響應快於系統調整新的扭矩所需的時間。

找到了問題根源所在，再來解決當然就容易多了，針對以上例子，您可以：

（1）增加機械剛性和降低系統的慣性，減少機械傳動部位的響應時間，如把V形帶更換成直接絲杆傳動或用齒輪箱代替V型帶；

（2）降低伺服系統的響應速度，減少伺服系統的控制帶寬，如降低伺服系統的增益參數值。

當然，以上只是噪聲、不穩定的原因之一，針對不同的原因，會有不同的解決辦法，如由機械共振引起的噪聲，在伺服方面可採取共振抑制，低通濾波等方法，總之，噪聲和不穩定的原因，基本上都不會是由於伺服電機本身所造成。

問題二：慣性匹配

在伺服系統選型及調試中，常會碰到慣量問題！

具體表現為：

1、在伺服系統選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統換算到電機軸的慣量，再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；

2、在調試時（手動模式下），正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能的前題，此點在要求高速高精度的系統上表現由為突出（臺達伺服慣量比參數為1-37，JL/JM）。這樣，就有了慣量匹配的問題！

那到底什麼是「慣量匹配」呢?

1、根據牛頓第二定律：「進給系統所需力矩T=系統傳動慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統的動態特性，θ越小，則由控制器發出指令到系統執行完畢的時間越長，系統反應越慢。如果θ變化，則系統反應將忽快忽慢，影響加工精度。由於馬達選定後最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應該儘量小。

2、進給軸的總慣量「J=伺服電機的旋轉慣性動量JM+電機軸換算的負載慣性動量JL

負載慣量JL由（以工具機為例）工作檯及上面裝的夾具和工件、螺杆、聯軸器等直線和旋轉運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定後，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所佔比例小些。這就是通俗意義上的「慣量匹配」。

知道了什麼是慣量匹配，那慣量匹配具體有什麼影響又如何確定呢?

影響：

傳動慣量對伺服系統的精度，穩定性，動態響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應儘量減小慣量。

確定：

衡量機械系統的動態特性時，慣量越小，系統的動態特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。例如，CNC中心機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發生：

（1）控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；

（2）當機臺沿二軸執行弧式曲線快速切削時，會發生較大誤差：

①一般伺服電機通常狀況下，當JL≦JM，則上面的問題不會發生

②當JL=3×JM，則馬達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JL≧3×JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現突出

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關係有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。

問題三、伺服電機選型

在選擇好機械傳動方案以後，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。

（1）選型條件  —  一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：

●    馬達最大轉速>系統所需之最高移動轉速；

●    馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配；

●    連續負載工作扭力≦馬達額定扭力；

●    馬達最大輸出扭力>系統所需最大扭力（加速時扭力）。

（2）選型計算：

●    慣量匹配計算（JL/JM）

●    迴轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速）

●    負載扭矩計算（連續負載工作扭矩，加速時扭矩）

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