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如何评估伺服系统的性能?

来源:控制工程网2015.10.28阅读 3892

  有一种比较常见的观点,两个具有相同功率范围、但是由不同制造商生产的伺服装置,性能水平相差不多,其它能够作为比较重要点的仅有价格。本文将会颠覆这个观点。在比较伺服装置时不能忽略的重要特性包括:额定转矩、额定转速、过负载时间、转矩惯性比、分辨率、频率响应、网络解决方案、外形尺寸、质量和稳定性。
  伺服电机扭矩
  伺服系统的工作范围被分为两类:连续工作和间歇工作(见图1)。连续工作范围表示伺服输出扭矩可以以24/7模式工作,而不会导致过热或者损坏电机。间歇工作范围指的是伺服输出的扭矩数值组只能维持很短的时间。这种爆发式的扭矩一般用于加速、减速、或者应对突发的负载波动。


图1:该图显示的是典型的扭矩转速曲线,比较了连续(A)和间歇(B)工作区域。

  不幸的是,扭矩和转速等级在整个运动控制市场上并不统一。在间歇工作范围时www.cechina.cn,伺服装置能够连续输出扭矩的时间(有时候被称之为过载时间),随着生产制造商的不同而有很大的变化,而对此一般并没有明确的规定。仅仅这一特点就导致一个伺服系统能够执行的任务类型有很大的不同。在为伺服装置选型时,需要记住的是,RMS(或者简单的说,平均)扭矩需求必须在连续工作范围内,这样伺服装置就可以连续工作而不会导致过热。伺服电机所能工作的周期,取决于它所能散发出去的热量。
  在用户的机器上,选取两种不同品牌的伺服装置,它们的外形尺寸基本相似(见图2),进行了一次测试。尽管它们的外形尺寸基本相同,但是它们的功率等级却有差异:一个额定功率为750W,另外一个为860W。在对机器的运行完成多个测试后,所得出的结论为:750W的电机性能更优,明显更适合于该应用。这样的结果看起来有点违反常识,但是如果你明白,并不是所有伺服装置的额定扭矩都是在相同的转速上测量得到的。


图2:如图中所示的试验台架,可测量性能,并比较伺服系统的特性。

  电机功率公式由扭矩和转速来表征,但是在运动控制工业领域内,对伺服装置来讲,这两者都没有标准的额定数值。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,在选择电机时,非常关键的一点是在机器运行转速上选择所需的扭矩,而不是只盯着功率等级。在相同的功率下控制工程网版权所有,伺服电机的静子,可以是提供较大扭矩和较低转速的绕线方式,也可以是较高转速和较小扭矩的绕线方式。
  伺服惯性
  到目前为止,我们只讨论了扭矩、转速和功率。在选择伺服装置时,惯性是必须考虑的另外一个非常重要的技术参数。伺服电机转子的惯性和负载惯性(负载和电机的主轴耦合)之间的比值非常关键。根据定义,伺服电机是闭环系统,其控制逻辑持续不断的改变电机中的电流。输送到电机的电流是根据复杂的算法计算出来的,该算法考虑位置、转速、扭矩的指令和反馈之间的差异。
  电机和负载之间的惯性比能够显著的影响伺服系统精确的控制电机的能力。如果比例过高,电机就会过调,导致波动。这些波动可能是微不足道的,比如在停机时的轻微摆动;也可能非常大的,比如剧烈、嘈杂的振动,这种振动有可能损害机器。现在高性能的伺服电机具有低惯性、永磁体转子,可以以较小的体积提供较大的扭矩。非常重要的是选择适当的机械传动装置(比如,齿轮箱、滚珠螺杆或者皮带轮)来实现可接受范围内的负载/转子惯性比:
  ■ 10:1平均性能;
  ■ 5:1较高性能;
  ■ 1:1最高性能。
  伺服系统分辨率
  另外一个重要因素是反馈装置的分辨率。解码器的分辨率在不断提高。解码器具有20位或更高的分辨率,并不是不常见。20位的解码器,在每个循环内具有超过一百万次的脉冲。要记住控制工程网版权所有,伺服的目的是确定指令和实际位置之间的偏差,并将其逐步缩小到零。分辨率越高,伺服系统就能越快的确定运动,并采取校正动作,从而实现更具刚性、更精确的负载控制。
  伺服系统的频率响应和带宽
  伺服系统实时计算和输出电流的能力,是伺服系统变化比较大的另外一个方面。频率响应是伺服系统度量其跟随指令信号变化的一个能力。
  伺服系统带宽的定义:当正弦波信号指令加载到转速回路,正弦波的频率就会增加CONTROL ENGINEERING China版权所有,直到伺服不能再改变轴的转速来匹配指令信号为止。当实际转速回落到指令信号的70.7%(-3dB)时,此时所测量的频率就是带宽。在过去24年间,高性能伺服系统转速回路的带宽已经增加了10倍,从最初的不足100Hz到现在的超过1KHz。
  伺服系统控制
  随着电源技术的进步,伺服系统改进了很多。大多数现代伺服系统都具有基于网络的结构,这样可以降低实施成本,提升诊断功能。接线量的降低也能提高OEM进行多轴系统调试时的速度,这样就可以获取更高的利润和更大的产量。在当今通讯不断增长的年代,无论是对伺服系统控制还是在生产制造执行系统(MES)与SCADA系统之间信息的处理,网络的连接性都绝对是必须的。增加的故障诊断功能能够降低停机时间,允许支持人员远程快速排除故障问题。
  尽管伺服装置的性能已经获得提升,放大器和控制器中的电子元件的尺寸却在不断减小。较高散热效率的设计所需要的放大器彼此间的空间较小。这些进步有助于缩小电子设备的外形尺寸,从而可以显著的降低整个系统的费用。较小的控制机柜以及由此所节约的物理空间,可以用于实现工厂车间更有效的利用。
  伺服系统质量
  当然,如果系统质量不过关,那么前述特性所带来的好处也是有限的。非常重要的一点是,应当选择具有可追踪记录的高质量生产制造商,并且要有数据支持。平均故障间隔时间是产品质量和可靠性度量的一个统计数据。在采购前索取这些信息,可以帮助你选择一个运动控制合作伙伴,其产品具有较低的整个生命周期使用费用。
  在采购伺服系统前,有很多因素需要考虑。下一次,在比较伺服装置时,要记住确定真正价值的标准远远不止功率和价格。(作者:Jerry Tyson,Michael Miller)

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