影響伺服系統(tǒng)性能的因素有哪些

伺服系統(tǒng)必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強(qiáng)等基本性能。交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來(lái)衡量。

調(diào)速范圍是指電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低平穩(wěn)轉(zhuǎn)速之比。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以達(dá)到1∶100000以上。定位精度取決于編碼器的脈沖數(shù)與驅(qū)動(dòng)器對(duì)編碼器的倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)，例如2048線的編碼器，在其倍頻數(shù)為2048的條件下，理論定位精度可以達(dá)到360°/（2048×2048）。 過(guò)去在測(cè)量技術(shù)比較落后的情況下，用戶還采取附加措施來(lái)提高系統(tǒng)的精度，例如將測(cè)量元件（如自整角機(jī)）的測(cè)量軸通過(guò)減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角得到放大，來(lái)提高相對(duì)測(cè)量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測(cè)粗測(cè)系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。

通過(guò)減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測(cè)角線路稱為精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測(cè)角線路稱為粗讀數(shù)通道。穩(wěn)速精度，尤其是低速（比如速度給定1r/min時(shí)）下的穩(wěn)速精度，一般在±0.1r/min以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01r/min以內(nèi)。通常情況下，一些驅(qū)動(dòng)器還以其額定轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)來(lái)作為速度精度，例如西門子伺服驅(qū)動(dòng)器的理想速度精度通常為其額定轉(zhuǎn)速的0.001%。

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也是衡量伺服系統(tǒng)性能的指標(biāo)，它是由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及負(fù)載共同決定的。性能優(yōu)良的伺服系統(tǒng)其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要求在±3%的范圍內(nèi)。通常，衡量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率和上升時(shí)間。上升時(shí)間指當(dāng)速度設(shè)定點(diǎn)突然變化到實(shí)際速度穩(wěn)定在設(shè)定值±2%的范圍的時(shí)間，其中包括系統(tǒng)的死區(qū)延遲。最高響應(yīng)頻率即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò)90°或者幅值不小于71%（－3dB）。如圖所示，X（t）與Y（t）信號(hào)分別為系統(tǒng)的輸入與輸出。

時(shí)域范圍內(nèi)的信號(hào)曲線

另外，從頻域上分析，系統(tǒng)的帶寬反映伺服系統(tǒng)跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。根據(jù)速度閉環(huán)的伯德圖，可以得到系統(tǒng)的帶寬。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性的限制，慣性越大，帶寬越窄。通常情況下，伺服系統(tǒng)的帶寬會(huì)隨著功率范圍的增加而變小。目前大部分產(chǎn)品的速度頻帶在200～500Hz，少數(shù)產(chǎn)品可以達(dá)到更高，如三菱伺服電機(jī)MR-J3系列的響應(yīng)頻率聲稱可高達(dá)900Hz。

速度閉環(huán)的伯德圖

運(yùn)行穩(wěn)定性主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾以及其他特殊運(yùn)行條件下，維持穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。這方面我國(guó)產(chǎn)品（包括部分臺(tái)灣產(chǎn)品）和世界先進(jìn)水平相比差距較大。

影響伺服系統(tǒng)性能的因素

（1）電機(jī)

電機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，電機(jī)執(zhí)行能力的好壞將決定整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制特性。常見(jiàn)的伺服電機(jī)可以分為直流調(diào)速電機(jī)與交流調(diào)速電機(jī)。和直流電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)沒(méi)有直流電機(jī)的換向器和電刷等帶來(lái)的缺點(diǎn)。同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)子阻抗、電刷結(jié)構(gòu)以及散熱等都會(huì)影響伺服系統(tǒng)的性能。

（2）編碼器

編碼器作為控制的反饋元件，也是影響系統(tǒng)精度的重要因素。首先，編碼器的脈沖數(shù)會(huì)直接影響系統(tǒng)的定位和速度控制精度；其次，編碼器的最高轉(zhuǎn)速也制約電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。目前，用于伺服控制系統(tǒng)的編碼器通常為光電編碼器，分為增量式、絕對(duì)值、正余弦以及旋轉(zhuǎn)變壓器等類型。編碼器的抗干擾能力會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)直接的影響。對(duì)于永磁同步電機(jī)，正確的轉(zhuǎn)子位置識(shí)別也是控制的前提，因此，編碼器能提供給驅(qū)動(dòng)器正確的轉(zhuǎn)子位置，也是控制的關(guān)鍵。

（3）驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器是伺服控制的核心。根據(jù)電機(jī)類型的不同，驅(qū)動(dòng)器也分為不同的種類，如晶體管放大驅(qū)動(dòng)器、直流驅(qū)動(dòng)器及交流驅(qū)動(dòng)器，目前工控行業(yè)比較常見(jiàn)的是交流驅(qū)動(dòng)器。例如，西門子公司推出的Sinamics S120驅(qū)動(dòng)器，其實(shí)是通過(guò)SPWM方式來(lái)控制電機(jī)的，其控制方式是空間矢量控制。通常情況下，電流環(huán)與速度環(huán)都是在驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)的，而位置控制可以在運(yùn)動(dòng)控制器中完成，也可以在驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)與速度環(huán)的閉環(huán)特性是衡量一個(gè)控制系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，如電流環(huán)與速度環(huán)的采樣周期，速度環(huán)與電流環(huán)的帶寬，控制回路上的各種濾波、延遲等，都會(huì)影響系統(tǒng)的精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

（4）運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制是在驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)基礎(chǔ)上，增加了位置控制、齒輪同步、凸輪、插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制功能的控制方式。 運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制方式有3種，即數(shù)字通信方式、模擬量方式、脈沖方式。

①數(shù)字通信方式：分辨率高，信號(hào)傳輸快速、可靠，可以實(shí)現(xiàn)高性能的靈活控制，需要通信協(xié)議。例如，西門子的Simotion與驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)交換采用基于Profibus或Profinet的Profidrive協(xié)議。還有其他一些歐系公司采用CAN總線的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK總線的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，通過(guò)以上的總線方式，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸控制，特別適合于需要各軸間的協(xié)調(diào)同步和插補(bǔ)控制的應(yīng)用，除了實(shí)現(xiàn)機(jī)械所必需的轉(zhuǎn)矩、位置、速度控制功能以外，還可實(shí)現(xiàn)要求精度極高的相位協(xié)調(diào)控制等。

②模擬量方式：分辨率低，信號(hào)可靠性與抗干擾性能差，但兼容性好。例如，西門子的運(yùn)動(dòng)控制器Simotion與第三方驅(qū)動(dòng)器之間的控制可以通過(guò)模擬量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

③脈沖方式：可靠性高，快速性差，靈活性差。驅(qū)動(dòng)對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)。

在系統(tǒng)選型配置過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制方式是設(shè)計(jì)者需要考慮的重要因素。通信是最穩(wěn)定、快捷的控制方式，同時(shí)要考慮通信的傳輸速度。通信周期受通信速率與數(shù)據(jù)量大小的制約，以西門子的運(yùn)動(dòng)控制器Simotion為例，在傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下，控制6個(gè)以上的軸時(shí)，系統(tǒng)的通信周期默認(rèn)為3ms。同時(shí)，受通信周期的限制，運(yùn)動(dòng)控制器的插補(bǔ)周期與位置環(huán)采樣周期通常為通信周期的整數(shù)倍。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)說(shuō)，其插補(bǔ)周期與位置環(huán)采樣周期是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

（5）機(jī)械傳動(dòng)

電機(jī)通?？繖C(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（如聯(lián)軸器、齒輪箱、絲杠、傳送帶、機(jī)械凸輪等）與負(fù)載相接。這樣，聯(lián)軸器的剛性、齒輪間隙、傳送帶的松緊都會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度。例如，對(duì)于直線移動(dòng)的執(zhí)行部件，電機(jī)通?？客狡л喕蛘呓z杠進(jìn)行連接，同步皮帶輪的嚙合間隙或者絲杠螺母的滾珠與滾道間隙等，都會(huì)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)位移精度造成影響。而對(duì)于機(jī)械凸輪，必須保證速度或加速度邊界條件，才能使系統(tǒng)不至于產(chǎn)生機(jī)械諧振。

（6）負(fù)載

作為控制的最終對(duì)象，負(fù)載對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不可忽略。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，其加速與停止過(guò)程中會(huì)要求系統(tǒng)的輸出扭矩大，要求驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力高。另外，負(fù)載與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比也會(huì)影響系統(tǒng)的性能，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比越小，控制越容易，但電機(jī)的效率越低；慣量比大，會(huì)給系統(tǒng)的高頻帶來(lái)諧振點(diǎn)，從而增加控制難度。關(guān)于負(fù)載與電機(jī)慣量比的分配，可以參考BoschRexroth公司給出的“適配標(biāo)準(zhǔn)”?：快速定位＜2∶1，修正定位＜5∶1，高速率變換＜10∶1。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

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概念

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小、衡量剛體抵抗旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性的物理量。其地位相當(dāng)于剛體平動(dòng)中的質(zhì)量，它與剛體的質(zhì)量以及質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的分布有關(guān)。

物理意義

直接理解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較抽象，但是我們可以用我們最常見(jiàn)、最直觀的質(zhì)量來(lái)做類比。

如果我們用同樣的力在兩個(gè)質(zhì)量不同的物體上作用，質(zhì)量重的那個(gè)物體速度變化慢。因此質(zhì)量的物理意義為可以反映出物體平動(dòng)狀態(tài)下的慣性：質(zhì)量越大，則慣性越大，即越難改變平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（從靜止開(kāi)始，質(zhì)量大的物體比質(zhì)量小的物體更難被加速）。

同理，如果我們用同樣的力矩（使物體平動(dòng)的叫力，使物體轉(zhuǎn)動(dòng)的叫力矩）作用在物體上想讓它轉(zhuǎn)動(dòng)，不同的物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度變化（類似于平動(dòng)中的加速度）的快慢也不同，影響角速度變化快慢的這個(gè)因素就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映物體轉(zhuǎn)動(dòng)下的慣性：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的物體角速度難于被改變。

公式

其中：??為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，??是每一個(gè)微元的質(zhì)量，??為每一個(gè)微元到轉(zhuǎn)軸的距離。

1、相同質(zhì)量的物體，質(zhì)量的分布（每一個(gè)微元距轉(zhuǎn)軸的距離）如果不同，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不同。

2、質(zhì)量分布均勻的物體，質(zhì)量不同其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不同。

平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中物理量關(guān)系

（7）安裝

待上述對(duì)象都得到確認(rèn)后，現(xiàn)場(chǎng)裝置的安裝也會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)新的問(wèn)題，比如如何做好系統(tǒng)的接地，如何避免EMC干擾，使用合適的屏蔽電纜等，都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可忽視的問(wèn)題。例如，在編碼器的電纜屏蔽層沒(méi)有真正接地的情況下，反饋信號(hào)會(huì)夾雜著噪聲，這種噪聲對(duì)控制的精度有很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致裝置停機(jī)。

（8）系統(tǒng)的成套性

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，建議使用者盡可能采用同一廠家的產(chǎn)品，包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等，保證系統(tǒng)的成套性，因?yàn)檫@樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的問(wèn)題。單獨(dú)購(gòu)買各部件所帶來(lái)的問(wèn)題首先是連接順序的復(fù)雜化，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)終端和反饋設(shè)備（包括編碼器、分解器、霍爾傳感器等）可以有多種不同的連接次序。采用同一供應(yīng)商的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器還有一個(gè)好處，就是能更好地安裝、調(diào)試軟件，并確保其兼容性?。另外，每一款電機(jī)的參數(shù)都不一致，與其匹配的驅(qū)動(dòng)器都有其默認(rèn)參數(shù)，從電機(jī)參數(shù)的識(shí)別方式來(lái)看，驅(qū)動(dòng)器也有專有的識(shí)別方式。對(duì)于第三方電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器所能夠識(shí)別的程序可能不夠準(zhǔn)確；而在精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，一個(gè)參數(shù)的差別可能會(huì)影響電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能，從而影響控制精度。因此，建議用戶盡量采用同一廠家的配套產(chǎn)品。 了解更多伺服與運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)資訊，添加小編微信，更多福利資料等你領(lǐng)取~

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審核編輯：黃飛

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