伺服電機(jī)的剛性及慣量是怎么回事,？伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)速與干擾措施！
如果你不要求定位快,，只要準(zhǔn),，在阻力不大的時(shí)候，剛性低,，也可以做到定位準(zhǔn)，只不過定位時(shí)間長(zhǎng),。因?yàn)閯傂缘偷脑挾ㄎ宦?，在要求響?yīng)快，定位時(shí)間短的情況下,，就會(huì)有定位不準(zhǔn)的錯(cuò)覺。 而慣量描述的是物體運(yùn)動(dòng)的慣性,，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的度量,。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只跟轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和物體質(zhì)量有關(guān)。一般負(fù)載慣量超過電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的10倍,，可以認(rèn)為慣量較大,。
要說剛性，先說剛度,。
?剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力,，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量E來衡量,。在宏觀彈性范圍內(nèi),，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力,。它的倒數(shù)稱為柔度,，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度,。
一個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度（k）是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。
k=P/δ
P是作用于結(jié)構(gòu)的恒力,，δ是由于力而產(chǎn)生的形變,。
轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度（k）為：
k=M/θ
其中,，M為施加的力矩，θ為旋轉(zhuǎn)角度,。
舉個(gè)例子,，我們知道鋼管比較堅(jiān)硬,，一般受外力形變小，而橡皮筋比較軟,，受到同等力產(chǎn)生的形變就比較大,，那我們就說鋼管的剛性強(qiáng)，橡皮筋的剛性弱,，或者說其柔性強(qiáng)。
在伺服電機(jī)的應(yīng)用中,，用聯(lián)軸器來連接電機(jī)和負(fù)載,，就是典型的剛性連接,；而用同步帶或者皮帶來連接電機(jī)和負(fù)載,，就是典型的柔性連接。
電機(jī)剛性就是電機(jī)軸抗外界力矩干擾的能力,，而我們可以在伺服控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的剛性,。
伺服電機(jī)的機(jī)械剛度跟它的響應(yīng)速度有關(guān)。一般剛性越高其響應(yīng)速度也越高,，但是調(diào)太高的話,，很容易讓電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械共振。所以,，在一般的伺服放大器參數(shù)里面都有手動(dòng)調(diào)整響應(yīng)頻率的選項(xiàng)，要根據(jù)機(jī)械的共振點(diǎn)來調(diào)整,，需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)（其實(shí)就是調(diào)增益參數(shù)）,。
在伺服系統(tǒng)位置模式下，施加力讓電機(jī)偏轉(zhuǎn),，如果用力較大且偏轉(zhuǎn)角度較小,，那么就認(rèn)為伺服系統(tǒng)剛性強(qiáng),，反之則認(rèn)為伺服剛性弱,。注意這里我說的剛性，其實(shí)更接近響應(yīng)速度這個(gè)概念,。從控制器角度看的話,，剛性其實(shí)是速度環(huán)、位置環(huán)和時(shí)間積分常數(shù)組合成的一個(gè)參數(shù),，它的大小決定機(jī)械的一個(gè)響應(yīng)速度,。
像松下和三菱伺服都有自動(dòng)增益功能，通常不需要特別去調(diào)整,。國產(chǎn)的一些伺服，只能夠手工調(diào)整,。
其實(shí)如果你不要求定位快,，只要準(zhǔn),，在阻力不大的時(shí)候，剛性低,，也可以做到定位準(zhǔn),，只不過定位時(shí)間長(zhǎng),。因?yàn)閯傂缘偷脑挾ㄎ宦?，在要求響?yīng)快，定位時(shí)間短的情況下,，就會(huì)有定位不準(zhǔn)的錯(cuò)覺,。
而慣量描述的是物體運(yùn)動(dòng)的慣性,，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的度量,。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只跟轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和物體質(zhì)量有關(guān)。一般負(fù)載慣量超過電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的10倍,，可以認(rèn)為慣量較大,。
導(dǎo)軌和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性影響很大,，固定增益下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，剛性越大,，越易引起電機(jī)抖動(dòng),；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，剛性越小,，電機(jī)越不易抖動(dòng),。可通過更換較小直徑的導(dǎo)軌和絲桿減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從而減小負(fù)載慣量來達(dá)到電機(jī)不抖動(dòng),。
我們知道通常在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等參數(shù)外,，我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量,，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)。
在調(diào)試時(shí)（手動(dòng)模式下）,，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提,。
那到底什么是“慣量匹配”呢？
其實(shí)也不難理解,，根據(jù)牛二定律：
進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩=系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J×角加速度θ
角加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,，θ越小則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)越慢,。如果θ變化,，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度,。
伺服電機(jī)選定后最大輸出值不變,，如果希望θ的變化小,，則J就應(yīng)該盡量小。
而上面的,，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM＋電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL,。
負(fù)載慣量JL由工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿,、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,，伺服電機(jī)選定后,，此值就為定值,，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化,。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些,。
這就是通俗意義上的“慣量匹配”。
一般來說,，小慣量的電機(jī)制動(dòng)性能好,，啟動(dòng)，加速停止的反應(yīng)很快,，高速往復(fù)性好,，適合于一些輕負(fù)載,，高速定位的場(chǎng)合。中,、大慣量的電機(jī)適用大負(fù)載,、平穩(wěn)要求比較高的場(chǎng)合,，如一些圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一些機(jī)床行業(yè)。
所以伺服電機(jī)剛性過大,，剛性不足,，一般是要調(diào)控制器增益改變系統(tǒng)響應(yīng)了。慣量過大,，慣量不足,，說的是負(fù)載的慣量變化和伺服電機(jī)慣量的一個(gè)相對(duì)的比較。
伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)速與干擾措施,！
伺服電機(jī)可使控制速度,，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象,。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制,，并能快速反應(yīng)。
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,，用作執(zhí)行元件,，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高,、始動(dòng)電壓等特性,，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類,，其主要特點(diǎn)是,，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電機(jī)作為自動(dòng)化工廠的動(dòng)力肌肉,，我們?cè)诠た卦O(shè)計(jì)與維護(hù)當(dāng)中是無法避免的,，那么我們今天就伺服的轉(zhuǎn)速控制與抗干擾措施進(jìn)行一下總結(jié)學(xué)習(xí)。
我們常用的伺服電機(jī)分很多種,，選型也不是一件簡(jiǎn)單的事，每一種伺服都熟練,，對(duì)于我們的學(xué)習(xí)是有非常大壓力的,，我們只能采取的措施是,，選用自己平時(shí)工作中能遇到最多的型號(hào)來學(xué)習(xí)，順便了解市場(chǎng)上使用比較多的幾種型號(hào)品牌,。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速從一千,，一千五,，三千不同，我們按使用最多的3000RPM交流伺服來代表,。我們?cè)趯?shí)際使用當(dāng)中,，選擇了一臺(tái)或者正在使用的一臺(tái)伺服是3000RPM,，我們需要的轉(zhuǎn)速是0-3000變速，那么我們可以通過哪些手段來改變當(dāng)前伺服轉(zhuǎn)速,。伺服速度的調(diào)整需要看我們是使用什么方式來控制,，以及控制方式的選擇,，我們是使用脈沖控制轉(zhuǎn)速,，模擬量控制轉(zhuǎn)速還是直接驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定控制調(diào)整速度，我們對(duì)應(yīng)的方式也是不一樣的,。我們對(duì)應(yīng)三種不同的控制方式來總結(jié)一下速度改變,。
1、轉(zhuǎn)矩控制,，轉(zhuǎn)速是自由的(隨負(fù)載變)轉(zhuǎn)矩控制是我們平時(shí)使用比較多的一種控制方式,，我們通過外部模擬量或直接地址賦值來設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩的大小，那么對(duì)應(yīng)的速度我們是不一定的,，因?yàn)樵O(shè)備老化摩擦系數(shù)的變化,，負(fù)載的變化，都會(huì)影響到速度的輸出,，這種使用情況下我們基本不會(huì)需要調(diào)整速度,，因?yàn)槭亲詣?dòng)調(diào)節(jié),，我們需要的是系統(tǒng)的穩(wěn)定度，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,。可以通過即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小,，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中,，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備,，使用伺服的目的是防止纏繞物料的變化改變受力。
2,、位置控制,，精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)速與扭矩均可嚴(yán)格控制位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小,，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制,，所以一般應(yīng)用于定位裝置,。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等,。我們?cè)谑褂卯?dāng)中需要了解PLC或者其他發(fā)送脈沖額定頻率是多少?20KHz,，100KHz，200KHz,，實(shí)際需要移動(dòng)的距離,，對(duì)應(yīng)伺服選定的脈沖當(dāng)量，我們就可以計(jì)算出伺服移動(dòng)到指定位置的上限運(yùn)行速度和時(shí)間,。伺服上線速度是我們必須計(jì)算出來的,，只有選擇合適的伺服型號(hào)才能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。伺服上線運(yùn)行速度=指令脈沖額定頻率×伺服上限速度伺服控制器一般帶有編碼器,，并可接收編碼器接收反饋脈沖，在速度環(huán)上設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率,，設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率=編碼器周反饋脈沖數(shù)×伺服電機(jī)設(shè)定速度(r/s)又因?yàn)橹噶蠲}沖頻率=編碼器反饋脈沖頻率/電子齒輪比,，所以也可以設(shè)定“指令脈沖頻率”，來設(shè)定伺服電機(jī)速度,。
3,、速度模式，轉(zhuǎn)矩是自由的(隨負(fù)載變)通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制,，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用,。速度模式相對(duì)位置模式相對(duì)應(yīng)，位置信號(hào)存在誤差,，位置模式的信號(hào)由終端負(fù)載檢測(cè)裝置提供,，減少中間傳動(dòng)誤差,，相對(duì)增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。我們速度控制模式主要采用的是0-10電壓信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,，模擬量幅值的大小決定了給定速度的大小,，正負(fù)決定電機(jī)應(yīng)關(guān)系取決于速度指令增益,，在負(fù)載慣量大的場(chǎng)合使用速度模式，我們需要設(shè)定速度環(huán)增益,，讓系統(tǒng)響應(yīng)更迅速,。調(diào)整時(shí)需要兼顧設(shè)備的振動(dòng),，不能因?yàn)轫憫?yīng)速度而產(chǎn)生系統(tǒng)振動(dòng)。我們使用速度控制時(shí),，還需注意加減速的設(shè)定,，如果沒有閉環(huán)控制時(shí)，我們需要通過零鉗位或比例控制使得電機(jī)完全停止,。用上位機(jī)作位置閉環(huán)時(shí),，模擬量不能自動(dòng)調(diào)零。通過控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送+/-10V的模擬電壓指令控制速度,，其優(yōu)點(diǎn)是伺服響應(yīng)快,，但缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾較敏感，調(diào)試稍復(fù)雜,。速度控制的應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)廣：需要快速響座的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng);由上位閉環(huán)的定位系統(tǒng);需要多段速度進(jìn)行快速切換的系統(tǒng),。在伺服系統(tǒng)的使用和調(diào)試過程中,，會(huì)不時(shí)發(fā)生各種意外的干擾，特別是對(duì)于發(fā)送脈沖的伺服電機(jī)的應(yīng)用,。
下面將從幾個(gè)方面對(duì)干擾的類型和產(chǎn)生方式進(jìn)行分析，以達(dá)到有針對(duì)性的抗干擾目的,，希望大家共同學(xué)習(xí)和研究,。
1、來自電源的干擾現(xiàn)場(chǎng)使用條件會(huì)有各種限制,，我們通常會(huì)遇到很多復(fù)雜情形，我們需要做到習(xí)慣性避免,，把問題原因盡可能的規(guī)避,。很多情況下,，我們會(huì)通過增加穩(wěn)壓器，隔離變壓器等設(shè)備,，給旋轉(zhuǎn)編碼器的供電模塊和運(yùn)動(dòng)控制器加濾波器,驅(qū)動(dòng)器改接DC電抗器,驅(qū)動(dòng)器位置低通濾波時(shí)間和載波率參數(shù)更改,，減少電源引入引起的干擾，避免伺服控制系統(tǒng)故障,。伺服系統(tǒng)動(dòng)力線應(yīng)單獨(dú)走線槽,，縮短驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)動(dòng)力線距離等等手段,，避免干擾控制線，引起驅(qū)動(dòng)器故障,。
2,、來自接地系統(tǒng)混亂的干擾接地是提高電子設(shè)備抗干擾的有效手段，能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾,，也避免受外部干擾影響，但是錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào),，使系統(tǒng)無法正常工作,。控制系統(tǒng)的地線一般包括系統(tǒng)地,、屏蔽地,、交流地和保護(hù)地等,。如果接地系統(tǒng)混亂,，對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，電纜屏蔽段兩端,，接地線,，大地，其他設(shè)備接地點(diǎn)等不同接地點(diǎn)間存在電位差,，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作,。解決此類干擾的關(guān)鍵就在于分清接地方式,，為系統(tǒng)提供良好的接地性能。伺服做好的接地線注意環(huán)境電磁兼容,，對(duì)高頻電磁波、射頻裝置等加以屏蔽;電源噪聲干擾源要加以抑制,、剔除,，比如同一個(gè)電源變壓器上或者配電母線上不要有諸如高頻，中頻,，大功率的整流和逆變用電裝置等......介紹一個(gè)非常規(guī)接地處理，因?yàn)榕潆娋€路不可避免的存在大干擾源,，驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)安裝在柜子里,，安裝板使用非金屬板，把與伺服驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的地線都懸浮,，其他的測(cè)量系統(tǒng)可靠接地,，這樣可能要好一點(diǎn)。
3,、來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,，如邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等,。信號(hào)線及控制線應(yīng)選用屏蔽線,，這樣對(duì)防止干擾有利。當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí),，例如距離超過100m,，導(dǎo)線截面應(yīng)放大些。信號(hào)線及控制線最好穿管放置,，避免與動(dòng)力線相互干擾,。傳輸信號(hào)以選用電流信號(hào)為主，電流信號(hào)的衰減與抗干擾相對(duì)較好,。實(shí)際應(yīng)用中傳感器輸出多是電壓信號(hào),，可以通過變換器轉(zhuǎn)換,。對(duì)模擬弱電路的直流電源進(jìn)行濾波，可以加兩個(gè)0.01uF(630V)電容,，一端接在電源正負(fù)極上,，另一端接到機(jī)殼上再和大地相連。很有效果,。伺服發(fā)出吱吱聲時(shí),，輸出高頻諧波干擾，可以在伺服驅(qū)動(dòng)母線電源的P,、N端分別接個(gè)0.1u/630v的CBB電容到機(jī)殼上試下。板卡端控制線的屏蔽層接板卡的0V,，驅(qū)動(dòng)器端不接,，只需將屏蔽層撥出一段，捻成一股暴露在外面,。使用電磁EMI濾波器,，控制線上焊抗干擾電阻,，或者電機(jī)動(dòng)力線上接磁環(huán)。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的工況條件要復(fù)雜的多,，只能是具體問題具體分析，但是最終都會(huì)有一個(gè)圓滿的解法,，只不過是過程經(jīng)歷不同罷了!
