一、前言

目前，基于稀土永磁體的交流永磁伺服驅(qū)動系統(tǒng)，能提供最高水平的動態(tài)響應(yīng)和扭矩密度。所以拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進和AC變頻調(diào)速驅(qū)動，以便使系統(tǒng)性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現(xiàn)用新的電機更好地改善系統(tǒng)性能，就必須對這一技術(shù)的特點有一個深刻的理解。事實上，如果僅簡單用新的驅(qū)動技術(shù)取代傳統(tǒng)的電機，而未進行新的設(shè)計，將會產(chǎn)生一些意想不到的問題，并且有時候甚至?xí)箼C器的特性降低。

二、驅(qū)動和機械連接選擇

所有驅(qū)動應(yīng)用的成功都取決于對全部系統(tǒng)參數(shù)的仔細選擇。因而就需要對現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)做到很好的理解(有些性能參數(shù)非常高，但要完全理解卻比較困難)。事實上，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)并不單純的取決于電機，而是一個完整的復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這就導(dǎo)致了在設(shè)計上具有更大的自由性，比傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置需要選擇更多的參數(shù)。

從概念性的觀點來看，一個高性能的交流永磁伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)類似于在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)時間及有限的慣性，因此可使電機盡最大限度的適應(yīng)各種控制信號。就像揚聲器一樣，最終控制品質(zhì)更多的是依靠所選擇的系統(tǒng)參數(shù)和驅(qū)動條件而不是依靠電機本身。

系統(tǒng)設(shè)計者面對設(shè)計選擇，不但要考慮機械、電子和電力等方面的各種參數(shù)，同時還要考慮其相互間的影響?？傮w來說，所有系統(tǒng)都要求做下述兩個基本選擇：機械方面：機械聯(lián)動裝置的選擇，傳動比的選擇，運動轉(zhuǎn)換方式的選擇，以及聯(lián)軸器和離合器的選擇。電子方面：反饋方式，傳感器類型和數(shù)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(nèi)容，可幫助設(shè)計者針對應(yīng)用特征的功能進行選擇。

1、伺服驅(qū)動：操作規(guī)則，性能特征和限制

所有的交流永磁伺服系統(tǒng)包括：電力驅(qū)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(huán)中系統(tǒng)中運行：驅(qū)動器從外面接收參數(shù)信息，然后將電流輸送給電機，通過電機轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動負載，負載根據(jù)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(qū)動裝置對參數(shù)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(shù)信息值保持一致。

例如：要求一個恒定速度，驅(qū)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(qū)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(shè)定的速度。

通過這個例子，可得出如下結(jié)論：

速度精度幾乎與負載和電機無關(guān)，而只取決于傳感器信號的質(zhì)量和驅(qū)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(qū)動裝置的參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)代交流永磁伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于具備非常高的閉環(huán)特性，可在毫秒級或者更小的時間滯后中就能夠?qū)鞲衅餍盘栕鞒龇磻?yīng)。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(tǒng)動態(tài)響應(yīng)效果的最主要的限制。

例如：假設(shè)有一個系統(tǒng)，用伺服電機通過同步齒型帶驅(qū)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(jié)論：

1、驅(qū)動器一旦將電流送到電機，電機須立即產(chǎn)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(shè)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(qū)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(tǒng)是振蕩的，電機扭矩是脈動式的，負載速度也隨之脈動。其結(jié)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(qū)動系統(tǒng)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(wěn)定性，是由于系統(tǒng)反應(yīng)速度(高)與機械傳遞或者反應(yīng)時間(過長)不相匹配而引起。即電機反應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)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(tǒng)的反應(yīng)時間--通過增強聯(lián)軸器的剛性和降低系統(tǒng)慣性；如直接驅(qū)動或用齒輪箱代替齒型帶。要么，降低控制系統(tǒng)的速度-通過放棄一些控制帶寬；而這需要用新的技術(shù)來實現(xiàn)。

2、當(dāng)然要犧牲一些品質(zhì)，如降低對突變負載波動的快速反應(yīng)能力。

事實上，老式驅(qū)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(zhuǎn)精度。所有這些都可說明，為什么交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)與機械方面精度差，如反向間隙、鍵槽等因素?zé)o關(guān)。因為這個原因，最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(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)(永磁直流電機，交流變頻電機)自身的慣性和響應(yīng)時間限制了其使用性能，因而具有更好應(yīng)用性能的高水平新型交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)就克服了傳統(tǒng)應(yīng)用場合的諸多機械限制。因此，今天機械系統(tǒng)的設(shè)計驗證或系統(tǒng)升級，比以往任何時候都更為重要。新應(yīng)用的成功與否與整個系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計密切相關(guān)。

從上面簡單的例子中還可以得出以下準(zhǔn)則：速度精度只取決于傳感器，而與電機無關(guān)；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(zhì)。在差的或改型后的應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常聽到的噪音，既不是來源于電機，也不是驅(qū)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(chǎn)生，在這種情況下，電機有可能產(chǎn)生與負載無關(guān)的過熱。

在同一系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)動態(tài)要求的分析是選擇電機的基礎(chǔ)。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(chǎn)生足夠扭矩和速度的根本，可在非常短的時間內(nèi)，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(tǒng)慣性，且須將系統(tǒng)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(shù)值與穩(wěn)定時間的倒數(shù)相關(guān)。一般須低于系統(tǒng)中的任何機械共振頻率，其倒數(shù)值為控制環(huán)的穩(wěn)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(biāo)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(shè)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(tǒng)穩(wěn)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(yīng)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?zhèn)鲃訋У?，那么傳動鏈的共振頻率可增至100Hz，穩(wěn)定時間減少至25-30ms,移動時間翻倍，所需的扭矩減半，應(yīng)用也就沒有問題。

2、最優(yōu)化驅(qū)動設(shè)計：傳動比、轉(zhuǎn)換方式，聯(lián)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(yīng)用中，低的電機速度將產(chǎn)生低的額定功率和相對低的效率。另一方面，交流伺服電機沒有最小速度限制(其速度僅由所用的傳感器來決定，如某些應(yīng)用中，其軸的速度是每年轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn))，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(tài)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，控制帶寬就是最大化的，因為這已達到了最大化的傳輸剛性。因此，這些應(yīng)用可提供最佳的位置控制和具有最短的穩(wěn)定時間的跟隨精度。

在為具體系統(tǒng)選擇適當(dāng)驅(qū)動方式之前，有必要先了解一下可用的機械傳輸方式。最常用的傳輸方式有以下幾種：

旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換：齒型帶；帶有螺旋輪和平行軸的減速器；擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器；諧波驅(qū)動；正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。

旋轉(zhuǎn)到直線運動轉(zhuǎn)換：齒型帶；齒輪齒條；金屬帶；滾珠絲杠。

對任何傳輸系統(tǒng)來說，負載參數(shù)都能按以下方式轉(zhuǎn)換成電機軸的參數(shù)。

如果n=傳動比(電機與負載載速度之比，若從直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)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(zhì)量)/n2 。

在上面例舉出來的傳輸方式中，第一種齒型帶是最便宜的，同時也是最慢的，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?shù)诫姍C軸的負載慣性遠遠大于電機本身的慣性，那么選擇適當(dāng)?shù)膫鲃颖染陀葹橹匾?。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(tǒng)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。最好的減速器(也是最貴的)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(shè)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(yīng)用場合。伺服系列減速器均被設(shè)計成用剛性聯(lián)軸器直接與電機軸相連，一般不用鍵槽。諧波驅(qū)動齒輪箱被設(shè)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。

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審核編輯 黃宇