伺服電機使用中有哪些問題？數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲補償控制方法！
伺服系統(tǒng)是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，它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)伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點有所了解。
伺服電機在使用中的常見問題：
問題一：噪聲，不穩(wěn)定
客戶在一些機械上使用伺服電機時，經(jīng)常會發(fā)生噪聲過大，電機帶動負載運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時，許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機質(zhì)量不好，因為有時換成步進電機或是變頻電機來拖動負載，噪聲和不穩(wěn)定現(xiàn)象卻反而小很多。表面上看，確實是伺服電機的原故，但我們仔細分析伺服電機的工作原理后，會發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯誤的。
交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅(qū)動、伺服電機和一個反饋傳感器(一般伺服電機自帶光學偏碼器)。所有這些部件都在一個控制閉環(huán)系統(tǒng)中運行：驅(qū)動器從外部接收參數(shù)信息，然后將一定電流輸送給電機，通過電機轉(zhuǎn)換成扭矩帶動負載，負載根據(jù)它自己的特性進行動作或加減速，傳感器測量負載的位置，使驅(qū)動裝置對設(shè)定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設(shè)定信息值保持一致，當負載突然變化引起速度變化時，偏碼器獲知這種速度變化后會馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器又通過改變提供給伺服電機的電流值來滿足負載的變化，并重新返回到設(shè)定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負載波動和速度較正之間的時間滯后響應(yīng)是非?？斓模藭r，真正限制了系統(tǒng)響應(yīng)效果的是機械連接裝置的傳遞時間。
舉一個簡單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過V形帶傳動一個恒定速度、大慣性的負載。整個系統(tǒng)需要獲得恒定的速度和較快的響應(yīng)特性，分析其動作過程。
當驅(qū)動器將電流送到電機時，電機立即產(chǎn)生扭矩；一開始，由于V形帶會有彈性，負載不會加速到像電機那樣快；伺服電機會比負載提前到達設(shè)定的速度，此時裝在電機上的偏碼器會削弱電流，繼而削弱扭矩；隨著V型帶張力的不斷增加會使電機速度變慢，此時驅(qū)動器又會去增加電流，周而復(fù)始。
在此例中，系統(tǒng)是振蕩的，電機扭矩是波動的，負載速度也隨之波動。其結(jié)果當然會是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是來源于機械傳動裝置，是由于伺服系統(tǒng)反應(yīng)速度（高）與機械傳遞或者反應(yīng)時間（較長）不相匹配而引起的，即伺服電機響應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)整新的扭矩所需的時間。
找到了問題根源所在，再來解決當然就容易多了，針對以上例子，您可以：
（1）增加機械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機械傳動部位的響應(yīng)時間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動或用齒輪箱代替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。
當然，以上只是噪聲、不穩(wěn)定的原因之一，針對不同的原因，會有不同的解決辦法，如由機械共振引起的噪聲，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，基本上都不會是由于伺服電機本身所造成。
問題二：慣性匹配
在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題！
具體表現(xiàn)為：
1、在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；
2、在調(diào)試時（手動模式下），正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出（臺達伺服慣量比參數(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：“進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J×角加速度θ
角加速度θ影響系統(tǒng)的動態(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、進給軸的總慣量“J=伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM+電機軸換算的負載慣性動量JL
負載慣量JL由（以工具機為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。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：
傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(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，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。
確定：
衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構(gòu)，對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中心機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發(fā)生：
（1）控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；
（2）當機臺沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時，會發(fā)生較大誤差：
①一般伺服電機通常狀況下，當JL≦JM，則上面的問題不會發(fā)生
②當JL=3×JM，則馬達的可控性會些微降低，但對平常的金屬切削不會有影響。（高速曲線切削一般建議JL≦JM）
③當JL≧3×JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現(xiàn)突出
不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對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)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。
問題三、伺服電機選型
在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。
（1）選型條件—一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：
●馬達最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速；
●馬達的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配；
●連續(xù)負載工作扭力≦馬達額定扭力；
●馬達最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）。
（2）選型計算：
●慣量匹配計算（JL/JM）
●回轉(zhuǎn)速度計算（負載端轉(zhuǎn)速，馬達端轉(zhuǎn)速）
●負載扭矩計算（連續(xù)負載工作扭矩，加速時扭矩）
數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲擾動信號的補償控制方法
噪聲通常定義為信號中的無用成分，噪聲無處不在。在數(shù)控機床及其周圍環(huán)境中，噪聲擾動是不可避免的，噪聲擾動包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動信號等。各種噪聲擾動信號必然會降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。在數(shù)控機床控制柜中，一般采用接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)來消除噪聲擾動信號的影響。
針對各種擾動信號設(shè)計擾動觀測器并在伺服控制系統(tǒng)中進行補償是一種減少擾動影響、進而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法。國內(nèi)外許多學者針對伺服控制中擾動信號，進行了補償控制方法研究。KIM等設(shè)計了一個模糊擾動觀測器，用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制，將模糊擾動觀測器用于永磁同步電機的速度控制;ＲYOO等設(shè)計了一個魯棒擾動觀測器，在光盤驅(qū)動器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進行了實驗;LU等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動信號觀測器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計方法，設(shè)計了數(shù)控機床伺服H∞魯棒控制器。
文中分析了噪聲擾動對伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響，提出了一種針對噪聲擾動信號觀測與補償?shù)目刂品椒?通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波噪聲擾動信號做了仿真試驗。
數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動影響
帶噪聲擾動的半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)方框簡圖。設(shè)來自插補器的位置指令信號為X(s)，伺服電機角位移輸出信號為Y(s)，設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制，傳遞函數(shù)為噪聲擾動信號產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動信號本身有關(guān)，還與N(s)在進給伺服系統(tǒng)中作用點之前的部分有關(guān)。
噪聲擾動觀測與補償方法
進給伺服系統(tǒng)中，加入噪聲擾動觀測和補償環(huán)節(jié)。通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓信號和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將擾動信號N(s)觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。
由式(3)—(5)可得加入噪聲擾動以及觀測與補償器后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)，與式(2)完全一致，說明針對噪聲擾動的觀測與補償方法可以補償擾動影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。
噪聲擾動觀測與補償方法仿真
位置控制器環(huán)節(jié)，采用PID控制，比例系數(shù)為8.1，積分系數(shù)為0.002，微分系數(shù)為0.032。對噪聲擾動進行觀測補償仿真研究時，設(shè)位置指令輸入信號為2sin(0.4πt);噪聲擾動為鋸齒波信號，幅值為0.5，周期為2s。
當不考慮噪聲擾動信號時，伺服進給系統(tǒng)的跟蹤誤差如圖4所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.006mm范圍內(nèi);當加入噪聲擾動信號但不進行擾動觀測與補償時，跟蹤誤差如圖5所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02mm范圍內(nèi);當采用文中噪聲擾動觀測與補償方法后，跟蹤誤差，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007mm范圍內(nèi)。對比說明所研究噪聲擾動觀測與補償方法，可有效提高伺服進給系統(tǒng)的抗干擾能力。
結(jié)論
噪聲信號無處不在，在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)驅(qū)動器接口處，噪聲擾動包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動信號等。各種噪聲擾動信號必然會降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。文中不是從硬件，而是從軟件補償角度，設(shè)計了一種針對噪聲擾動的觀測與補償方法:通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波擾動信號的仿真表明:所提出觀測與補償方法能有效提高跟蹤精度，提高系統(tǒng)抗干擾能力。該方法是對硬件抗擾動技術(shù)的一個有益補充。
