伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，它能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩密度，所以拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個(gè)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(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的更好性能，就必須對(duì)伺服電機(jī)的一些使用特點(diǎn)有所了解。本文將淺析伺服電機(jī)在使用中的常見問題。問題一噪聲，不穩(wěn)定客戶在一些機(jī)械上使用伺服電機(jī)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生噪聲過大，電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時(shí)，許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機(jī)質(zhì)量不好，因?yàn)橛袝r(shí)換成步進(jìn)電機(jī)或是變頻電機(jī)來拖動(dòng)負(fù)載，噪聲和不穩(wěn)定現(xiàn)象卻反而小很多。表面上看，確實(shí)是伺服電機(jī)的原故，但我們仔細(xì)分析伺服電機(jī)的工作原理后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯(cuò)誤的。交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和一個(gè)反饋傳感器(一般伺服電機(jī)自帶光學(xué)偏碼器)。所有這些部件都在一個(gè)控制閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器從外部接收參數(shù)信息，然后將一定電流輸送給電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加減速，傳感器測量負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)設(shè)定信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過改變電機(jī)電流使實(shí)際位置值和設(shè)定信息值保持一致，當(dāng)負(fù)載突然變化引起速度變化時(shí)，偏碼器獲知這種速度變化后會(huì)馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器又通過改變提供給伺服電機(jī)的電流值來滿足負(fù)載的變化，并重新返回到設(shè)定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負(fù)載波動(dòng)和速度較正之間的時(shí)間滯后響應(yīng)是非?？斓?，此時(shí)，真正限制了系統(tǒng)響應(yīng)效果的是機(jī)械連接裝置的傳遞時(shí)間。舉一個(gè)簡單例子：有一臺(tái)機(jī)械，是用伺服電機(jī)通過V形帶傳動(dòng)一個(gè)恒定速度、大慣性的負(fù)載。整個(gè)系統(tǒng)需要獲得恒定的速度和較快的響應(yīng)特性，分析其動(dòng)作過程。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將電流送到電機(jī)時(shí)，電機(jī)立即產(chǎn)生扭矩；一開始，由于V形帶會(huì)有彈性，負(fù)載不會(huì)加速到像電機(jī)那樣快；伺服電機(jī)會(huì)比負(fù)載提前到達(dá)設(shè)定的速度，此時(shí)裝在電機(jī)上的偏碼器會(huì)削弱電流，繼而削弱扭矩；隨著V型帶張力的不斷增加會(huì)使電機(jī)速度變慢，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器又會(huì)去增加電流，周而復(fù)始。在此例中，系統(tǒng)是振蕩的，電機(jī)扭矩是波動(dòng)的，負(fù)載速度也隨之波動(dòng)。其結(jié)果當(dāng)然會(huì)是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過，這都不是由伺服電機(jī)引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是找到了問題根源所在，再來解決當(dāng)然就容易多了，針對(duì)以上例子，您可以：（1）增加機(jī)械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機(jī)械傳動(dòng)部位的響應(yīng)時(shí)間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動(dòng)或用齒輪箱代替V型帶；（2）降低伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少伺服系統(tǒng)的控制帶寬，如降低伺服系統(tǒng)的增益參數(shù)值。當(dāng)然，以上只是噪聲、不穩(wěn)定的原因之一，針對(duì)不同的原因，會(huì)有不同的解決辦法，如由機(jī)械共振引起的噪聲，在伺服方面可采取共振抑制，低通濾波等方法，總之，噪聲和不穩(wěn)定的原因，基本上都不會(huì)是由于伺服電機(jī)本身所造成。問題二慣性匹配在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量問題！具體表現(xiàn)為：1、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因素外，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)；2、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)最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出（臺(tái)達(dá)伺服慣量比參數(shù)為1-37，JL/JM）。這樣，就有了慣量匹配的問題！那到底什么是“慣量匹配”呢?1、根據(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(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，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。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。2、進(jìn)給軸的總慣量“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（以工具機(jī)為例）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”。知道了什么是慣量匹配，那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢?影響：傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。確定：衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。例如，CNC中心機(jī)通過伺服電機(jī)作高速切削時(shí)，當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí)，會(huì)發(fā)生：（1）控制指令改變時(shí)，馬達(dá)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新指令的速度要求；（2）當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí)，會(huì)發(fā)生較大誤差：①一般伺服電機(jī)通常狀況下，當(dāng)JL≦JM，則上面的問題不會(huì)發(fā)生②當(dāng)JL=3×JM，則馬達(dá)的可控性會(huì)些微降低，但對(duì)平常的金屬切削不會(huì)有影響。（高速曲線切削一般建議JL≦JM）③當(dāng)JL≧3×JM，馬達(dá)的可控性會(huì)明顯下降，在高速曲線切削時(shí)表現(xiàn)突出不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。問題三伺服電機(jī)選型在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后，就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。（1）選型條件—一般情況下，選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況：● 馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速；● 馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配；● 連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力；● 馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力（加速時(shí)扭力）。（2）選型計(jì)算：● 慣量匹配計(jì)算（JL/JM）● 回轉(zhuǎn)速度計(jì)算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速）● 負(fù)載扭矩計(jì)算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時(shí)扭矩）本文

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據(jù)關(guān)注DSP市場的市場調(diào)研公司Forward Concepts的數(shù)據(jù)顯示,DSP的廣泛應(yīng)用使該市場在未來幾年內(nèi)迅速成長。2003年,DSP市場的年均增長率為26%,市場規(guī)模就達(dá)到61億美元。另外CCID的數(shù)據(jù)也顯示,未來幾年內(nèi)中國的DSP市場也會(huì)有超過40%的增長。到2005年,中國DSP市場的銷售數(shù)量將可達(dá)到13億只,DSP在很多方面具有很大的市場潛力。各方面的經(jīng)濟(jì)預(yù)測看好2005年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展——亞洲區(qū)增長率為 3.9%,中國為7.9%,由此可見DSP的市場發(fā)展空間巨大。 在消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域,諸如DVD機(jī)及其他音響設(shè)備將繼續(xù)走俏。在諸多電子系統(tǒng)領(lǐng)域,用戶越來越追求更好更快的用戶界面,人們期待著這些電子系統(tǒng)產(chǎn)品將會(huì)運(yùn)行得更快、更準(zhǔn)確、更靜音及更可靠。 由于3G和VoIP開始商業(yè)運(yùn)營,針對(duì)通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的DSP市場將迅猛增長。3G寬帶無線基礎(chǔ)通信系統(tǒng)、IP電話系統(tǒng)、多通道調(diào)制解調(diào)器以及多通道xDSL也將蓬勃發(fā)展。市場研究公司預(yù)計(jì)2006年,全球的手機(jī)用戶將超過20億。據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部最新統(tǒng)計(jì),今年前三季度國產(chǎn)品牌手機(jī)出口量已突破400萬臺(tái),根據(jù)預(yù)測,包括貼牌生產(chǎn)、來料加工在內(nèi),今年國產(chǎn)手機(jī)的出口量有望達(dá)到1億臺(tái)。這將進(jìn)一步加速DSP在無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。 再者,原本基于MCU的家電應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在越來越多地采用DSP器件。為贏得市場競爭,大多數(shù)客戶正尋求更高性能的處理器產(chǎn)品,以增加家電產(chǎn)品的功能和性能。在不久的將來,DSP會(huì)更大規(guī)模地占領(lǐng)家電產(chǎn)品領(lǐng)域。 與此同時(shí),DSP在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到飛速發(fā)展,例如HAVC鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇、傳送帶、電梯、起重機(jī)、電機(jī)控制或不間斷電源、變頻機(jī)、無傳感器控制、閥門啟動(dòng)器等。此外,在能源管理方面,日益增長的能源需求不但導(dǎo)致價(jià)格上漲,還影響了傳送系統(tǒng)的可靠性。另一方面是汽車效率及來自用戶的安全要求。汽車為司機(jī)及乘客提供了越來越多的便利,而同時(shí)ZF及用戶也要求汽車產(chǎn)品具有更好的安全及效率性能。 綜上可知,DSP的廣泛應(yīng)用已推動(dòng)了各領(lǐng)域的飛速發(fā)展,其市場潛力值得我們拭目以待。

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