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      伺服電機驅動系統調試中常見問題及解決方法

      電機 · 發布于 2022-06-16 11:15:35 · 23點擊

      (一)伺服電機問題


      (1)電機竄動:在進給時出現竄動現象,測速信號不穩定,如編碼器有裂紋;接線端子接觸不良,如螺釘松動等;當竄動發生在由正方向運動與反方向運動的換向瞬間時,一般是由于進給傳動鏈的反向問隙或伺服驅動增益過大所致。


      (2) 電機爬行:大多發生在起動加速段或低速進給時,一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良,伺服系統增益低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是,伺服電動機和滾珠絲杠聯接用的聯軸器,由于連接松動或聯軸器本身的缺陷,如裂紋等,造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉動不同步,從而使進給運動忽快忽慢。


      (3)電機振動:機床高速運行時,可能產生振動,這時就會產生過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題,所以應尋找速度環問題。


      (4)電機轉矩降低:伺服電動機從額定堵轉轉矩到高速運轉時,發現轉矩會突然降低,這時因為電動機繞組的散熱損壞和機械部分發熱引起的。高速時,電動機溫升變大,因此,正確使用伺服電動機前一定要對電動機的負載進行驗算。


      (5) 電機位置誤差:當伺服軸運動超過位置允差范圍時(KNDSD100出廠標準設置PA17:400,位置超差檢測范圍),伺服驅動器就會出現“4”號位置超差報警。主要原因有:系統設定的允差范圍小;伺服系統增益設置不當;位置檢測裝置有污染;進給傳動鏈累計誤差過大等。


      (6)電機不轉:數控系統到伺服驅動器除了聯結脈沖+方向信號外,還有使能控制信號,一般為DC+24 V繼電器線圈電壓。伺服電動機不轉,常用診斷方法有:檢查數控系統是否有脈沖信號輸出;檢查使能信號是否接通;通過液晶屏觀測系統輸入/出狀態是否滿足進給軸的起動條件;對帶電磁制動器的伺服電動機確認制動已經打開;驅動器有故障;伺服電動機有故障;伺服電動機和滾珠絲杠聯結聯軸節失效或鍵脫開等。




      (二)增益問題


      首先,機械本身的結構對伺服增益的調整有重要影響。如果機械本身的剛性比較好(磨床絲桿傳動),伺服的相關增益則可以設置較高。如果接卸本身的剛性偏柔(包裝機同步帶),伺服的相關增益則設置的不要太高。


      伺服驅動器包括三個反饋環節:位置環、速度環、電流環。最內環(電流環)的反應速度最快,中間環節(速度環)的反應速度必須高于最外環(位置環)。如果不遵守此原則,將會造成電機運轉的震動或反映不良。伺服驅動器的設計可盡量確保電流環具備良好的反應性能,故用戶只需調整位置位置環、速度環的增益即可。


      位置環的反應不能快于速度環的反應。因此,若需增加位置環的增益,必須先增加速度環的增益。如果只增加位置環的增益,電機很可能產生震動,從而將會造成速度指令及定位時間的增加,而非期望的減少。



      速度環增益:


      增大速度環比例增益,則能降低轉速脈動的變化量,提高伺服驅動系統的硬度,保證系統穩態及瞬態運行時的性能。但是在實際系統中,速度環比例增益不能過大,否則將引起整個伺服驅動系統振蕩。


      速度環參數調節與負載慣量的關系


      當負載對象的轉動慣量與電動機的轉動慣量之比較大,以及負載的摩擦轉矩比較大時,宜增大速度環比例增益和速度環積分時間常數,以滿足運行穩定性的要求。


      當負載對象的轉動慣量與電動機的轉動慣量之比較小,以及負載的摩擦轉矩較小時,宜減小速度環比例增益和速度換積分時間常數,保證低速運行時的速度控制精度。



      位置環增益:


      位置環增益與伺服電機以及機械負載有著密切的聯系,通常伺服系統的位置環增益越高,電機速度對于位置指令響應的延時減小,位置跟蹤誤差愈小,定位所需時間越短,但要求對應的機械系統的剛性與自然頻率也必須很高。而且當輸入的位置突變時,其輸出變化劇烈,機械負載要承受較大的沖擊。此時,驅動器必須進行升降速處理或通過上位機用編程措施來緩沖這種變化。


      當伺服系統位置環增益相對較小時,調整起來比較方便,因為位置環增益小,伺服系統容易穩定,對大負載對象,調整要簡單些。同時,低位置環增益的伺服系統頻帶叫窄,對噪音不敏感。因此,作為伺服進給用時,位置的微觀變化小,但低位置環增益的伺服系統位置跟蹤誤差較大。




      (三)慣量問題


      伺服系統是機電產品中的重要環節,它能提供最高水平的動態響應和扭矩密度,所以拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取替傳統的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動,以便使系統性能達到一個全新的水平,包括更短的周期、更高的生產率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現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。


      慣性匹配


      在伺服系統選型及調試中,常會碰到慣量問題,具體表現為:


      1、在伺服系統選型時,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換算到電機軸的慣量,再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機;


      2、在調試時(手動模式下),正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能的前題,此點在要求高速高精度的系統上表現由為突出。這樣,就有了慣量匹配的問題。


      那到底什么是“慣量匹配”呢?


      1、根據牛頓第二定律:進給系統所需力矩T=系統傳動慣量J×角加速度θ


      角加速度θ影響系統的動態特性,θ越小,則由控制器發出指令到系統執行完畢的時間越長,系統反應越慢。如果θ變化,則系統反應將忽快忽慢,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應該盡量小。


      2、進給軸的總慣量“J=伺服電機的旋轉慣性動量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、聯軸器等直線和旋轉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?


      影響:


      傳動慣量對伺服系統的精度,穩定性,動態響應都有影響,慣量大,系統的機械常數大,響應慢,會使系統的固有頻率下降,容易產生諧振,因而限制了伺服帶寬,影響了伺服精度和響應速度,慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利,因此,機械設計時在不影響系統剛度的條件下,應盡量減小慣量。


      確定:


      衡量機械系統的動態特性時,慣量越小,系統的動態特性反應越好;慣量越大,馬達的負載也就越大,越難控制,但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構,對慣量匹配原則有不同的選擇,且有不同的作用表現。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)當機臺沿二軸執行弧式曲線快速切削時,會發生較大誤差:


      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突出


      不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求,慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。


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