永磁交流伺服精密傳動系統(tǒng)機電耦合精度的思考

　　[摘 要]隨著精密傳動的廣泛應(yīng)用，眾多圍繞著精密傳動的課題正在如火如荼的進行著�；�于此，本文從齒輪傳動模型建立與伺服電機的工作原理兩個方面進行永磁交流伺服系統(tǒng)模型的分析，并根據(jù)基于永磁交流伺服系統(tǒng)模型上伺服傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真、系統(tǒng)剛度、間隙非線性、傳動誤差、死區(qū)非線性對機電耦合精度的影響進行了深入的研究。
　　[關(guān)鍵詞]機電耦合精度；永磁交流伺服系統(tǒng)；精密傳動
　　中圖分類號：S663 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0315-01
　　引言
　　機電耦合就是當機電耦合相關(guān)參數(shù)在不平穩(wěn)的運行狀態(tài)下或者是產(chǎn)生非線性變化時系統(tǒng)所體現(xiàn)的基本特征。系統(tǒng)在不平穩(wěn)的運行狀態(tài)下工作時，因為機電耦合現(xiàn)象，會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振動，從而影響系統(tǒng)整體的運行精度，嚴重時會發(fā)生重大的設(shè)備故障。因此，本文針對永磁交流伺服精密傳動系統(tǒng)機電耦合精度進行了深入的探討。
　　1.永磁交流伺服系統(tǒng)模型的概述
　　1.1 建立齒輪傳動模型
　　通常情況下，任何系統(tǒng)的傳動機構(gòu)都可以應(yīng)用以下三種基本的物理模型進行表達：彈性負載、阻尼負載以及慣性負載。為了可以更精確進行各子系統(tǒng)與伺服精密傳動系統(tǒng)之間存在的相互耦合的現(xiàn)象，在已知耦合管的關(guān)系圖的基礎(chǔ)之上，可以把伺服交流電機看作輸出轉(zhuǎn)矩是T的一個簡化的動力輸出裝置，其中，齒輪的傳動機構(gòu)是最常用的一種傳動機構(gòu)。我們可以將這類傳動系統(tǒng)看作是簡化的“彈簧-質(zhì)量-阻尼”。
　　1.2 伺服電機的工作原理
　　目前廣泛應(yīng)用在永磁交流伺服精密傳動系統(tǒng)中的兩類伺服電動機為：無刷直流電動機（BDCM）以及三相永磁同步電動機（PMSM）。其中，BDCM是一種應(yīng)用電子換向進行工作的小功率的直流電動機，縱觀BDCM的發(fā)展歷程，BDCM的工作原理主要是利用永磁體轉(zhuǎn)子代替了直流電動機定子磁極，其定子也就是該直流電動機中的電樞。與BDCM不同的是有刷直流電動機，其工作原理是借助于機械換向器把電流轉(zhuǎn)換成相近的交流電流，BDCM則是把方波電流輸入到電機的定子中。PMSM與BDCM的工作原理相類似，PMSM是利用永磁體代替同步電動機中轉(zhuǎn)子的勵磁繞組，從而減少了電刷、滑環(huán)以及勵磁線圈的使用，整個系統(tǒng)通過電子來控制換向，以實現(xiàn)點擊處的無刷運行。繞線的同步電動機工作原理與永磁同步電機定子基本相似，其電機中輸入的電流基本都是三相的正選交流電，因此，此類電機又被稱為是三相永磁同步電機。目前，對于這兩種電動機的區(qū)分依據(jù)是永磁體勵磁場在其定子相繞組中生成的感應(yīng)電動勢。BDCM只有在其輸入電流是三相對稱正弦流時，才可以產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的恒定電磁轉(zhuǎn)矩，同時感應(yīng)電動勢應(yīng)為梯形波。然而，永磁交流同步電機的輸入電流是三相對稱正弦流，其感應(yīng)電動勢是正弦波。我們可以進行假設(shè)：1）忽略鐵心的飽和；2）不計較渦以及磁滯的損耗；3）電機的永磁體以及轉(zhuǎn)子上面都不存在繞組作用；4）電機的反電動勢都是正弦形的電動勢。
　　2.基于永磁交流伺服系統(tǒng)模型上機電耦合精度的分析
　　2.1 伺服傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真
　　我們可以通過對伺服傳動系統(tǒng)進行仿真，從而分析系統(tǒng)傳動剛度、誤差、間隙非線性和死區(qū)非線性對系統(tǒng)動態(tài)和精度特性的基本影響規(guī)律，最終得到可靠的結(jié)論。需要將初始的時間設(shè)置為0，同時可以得到系統(tǒng)的仿真曲線，同時可以看出系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、動態(tài)性能好，可以檢測模型建立正確。
　　2.2 系統(tǒng)剛度對機電耦合精度的影響
　　傳動剛度對傳動系統(tǒng)的振動特性以及精度特性具有很大的影響，可以通過對系統(tǒng)的剛度數(shù)值進行修改從而分析仿真的結(jié)果。剛度值分別調(diào)整為5、10、25、50，由仿真曲線可以看出，過大的剛度會導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量太大，使系統(tǒng)產(chǎn)生十分嚴重的震蕩現(xiàn)象，對系統(tǒng)的精度也會造成十分嚴重的影響。剛度太小則會導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間過長，響應(yīng)較慢，但是對于系統(tǒng)的精度影響卻不大。
　　2.3 間隙非線性對機電耦合精度的影響
　　間隙非線性問題主要是由于機構(gòu)存在傳動間隙而引起的，其主要出現(xiàn)在伺服機構(gòu)的啟動和換向過程中，間隙會給伺服系統(tǒng)的振動特性以及精度特性造成較大的影響。在模型的模塊組中，根據(jù)系統(tǒng)的仿真曲線可以看出，間隙非線性對于輸出信號的影響集中出現(xiàn)在換向的過程中，從而引起輸出信號滯后的現(xiàn)象出現(xiàn)。為進一步探究間隙非線性對整個系統(tǒng)產(chǎn)生振動和精度特性的影響，可以通過對模型間隙數(shù)值的修改進行仿真結(jié)果的進一步分析。對著系統(tǒng)間隙的不斷增加，單位階躍的相應(yīng)隨之增大，一旦間隙增加到一定的數(shù)值后，其階躍響應(yīng)的超調(diào)量就會增大。這一現(xiàn)象表明，在系統(tǒng)閉環(huán)校正的作用下，較小的間隙只會引起輸出信號的滯后現(xiàn)象，其對輸出信號精度并沒有很大的影響；隨著系統(tǒng)間隙的不斷增大，整體系統(tǒng)的精度就會發(fā)生很大的變化，其振動也隨之增大，同時系統(tǒng)的超調(diào)量也隨之增加，進而影響到系統(tǒng)整體的精度和穩(wěn)定性。
　　2.4 傳動誤差對機電耦合精度的影響
　　所謂的傳動誤差指的是和傳動特性相關(guān)的傳動齒輪誤差要素理論值和實際值之間的差值。一旦系統(tǒng)的傳動裝置出現(xiàn)傳動誤差，可以把整個系統(tǒng)虛擬成一個無誤差系統(tǒng)和一個干擾信號的疊加。當整個系統(tǒng)輸入信號是0的時候，可以利用信號發(fā)生器發(fā)出一個正弦波的輸入信號，根據(jù)系統(tǒng)分別在誤差頻率為1Hz、5Hz、10Hz、50Hz的仿真曲線可以看出，當信號的發(fā)生頻率相對較小時，系統(tǒng)傳動鏈產(chǎn)生的傳動誤差基本不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生精度特性的影響，然而，當信號的發(fā)生頻率相對較大時，系統(tǒng)傳動鏈產(chǎn)生的傳動誤差接近于無衰減的對整個系統(tǒng)產(chǎn)生精度特性的影響。因此，在針對系統(tǒng)傳動鏈而進行傳動誤差分析時，可以把分析的重點放在高頻誤差信號對系統(tǒng)的影響上[1]。
　　2.5 死區(qū)非線性對機電耦合精度的影響
　　死區(qū)非線性指的是系統(tǒng)輸入信號一旦進入到一定的范圍以內(nèi)，該系統(tǒng)沒有任何相應(yīng)，即沒有顯示任何輸出；這時只有系統(tǒng)輸入信號超過上述的范圍時，才會顯示有輸出信號，而這個區(qū)間就是所謂的死區(qū)，也是伺服傳動系統(tǒng)里比較普遍存在的一種非線性因素。出現(xiàn)死區(qū)的主要原因是：數(shù)字量化死區(qū)、靜摩擦力死區(qū)以及功率放大器死區(qū)等。根據(jù)仿真的曲線可以看出，死區(qū)非線性特性對于輸出信號的影響主要體現(xiàn)在零輸入的周圍，這回導(dǎo)致輸出信號的失真，但是輸入和輸出信號的相位的關(guān)系是不變的，只是其幅值會有很大程度的衰減�；�于系統(tǒng)閉環(huán)校正的影響，死區(qū)的范圍比較小時只會引起信號的滯后，對于輸出信號的精度影響并不是很大，一旦死區(qū)的范圍擴大的一定的數(shù)值以后，其特性不僅會影響到系統(tǒng)整體的輸出精度，還有可能對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性造成一定程度的威脅。由上述分析可以得出，在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部其死區(qū)范圍和間隙特性對于系統(tǒng)整體性能的效果影響是相類似的，然而，在開環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的影響具有較大的差異[2]。
　　結(jié)束語
　　綜上所述，在建立永磁交流精密傳動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對伺服傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真、系統(tǒng)剛度、間隙非線性、傳動誤差、死區(qū)非線性對機電耦合精度的影響進行了仿真和分析。隨著我國機電事業(yè)的發(fā)展，未來關(guān)于精密傳動方面的研究成果一定回更加豐富。
　　參考文獻
　　[1] 張金東.NN型少齒差行星齒輪伺服驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性研究[D].重慶大學(xué)，2016.
　　[2] 趙靈.交流伺服精密驅(qū)動系統(tǒng)齒隙非線性振動特性研究[D].重慶大學(xué)，2014.

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