SIEMENS连云港市西门子中国一级代理-西门子变频器伺服电机一级总代理

伺服系统必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、转矩波动、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。

调速范围是指电机的Zui高转速与Zui低平稳转速之比。低档的伺服系统调速范围在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以达到1∶100000以上。定位精度取决于编码器的脉冲数与驱动器对编码器的倍频细分数，例如2048线的编码器，在其倍频数为2048的条件下，理论定位精度可以达到360°/（2048×2048）。过去在测量技术比较落后的情况下，用户还采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称为精读数通道，直接取自转轴的测角线路称为粗读数通道。稳速精度，尤其是低速（比如速度给定1r/min时）下的稳速精度，一般在±0.1r/min以内，高性能的可以达到±r/min以内。通常情况下，一些驱动器还以其额定转速的百分数来作为速度精度，例如西门子伺服驱动器的理想速度精度通常为其额定转速的0.001%。转矩波动也是衡量伺服系统性能的指标，它是由驱动器、电机以及负载共同决定的。性能优良的伺服系统其转矩波动要求在±3%的范围内。通常，衡量动态响应的指标是系统Zui高响应频率和上升时间。上升时间指当速度设定点突然变化到实际速度稳定在设定值±2%的范围的时间，其中包括系统的死区延迟。Zui高响应频率即给定Zui高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于71%（－3dB）。如图所示，X（t）与Y（t）信号分别为系统的输入与输出。

时域范围内的信号曲线

从频域上分析，系统的带宽反映伺服系统跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。根据速度闭环的伯德图，可以得到系统的带宽。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制，惯性越大，带宽越窄。通常情况下，伺服系统的带宽会随着功率范围的增加而变小。目前大部分产品的速度频带在200～500Hz，少数产品可以达到更高，如三菱伺服电机MR-J3系列的响应频率声称可高达900Hz。

速度闭环的伯德图

运行稳定性主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面我国产品（包括部分台湾产品）和世界先进水平相比差距较大。

影响伺服系统性能的因素

 

• （1）电机

  
  

电机是伺服系统的重要组成部分，电机执行能力的好坏将决定整个伺服系统的控制特性。常见的伺服电机可以分为直流调速电机与交流调速电机。

和直流电机相比，交流伺服电机没有直流电机的换向器和电刷等带来的缺点。电机的转动惯量、转子阻抗、电刷结构以及散热等都会影响伺服系统的性能。

• （2）编码器

  
  

编码器作为控制的反馈元件，也是影响系统精度的重要因素。编码器的脉冲数会直接影响系统的定位和速度控制精度；编码器的Zui高转速也制约电机的Zui大转速。目前，用于伺服控制系统的编码器通常为光电编码器，分为增量式、juedui值、正余弦以及旋转变压器等类型。

编码器的抗干扰能力会给系统的稳定性带来直接的影响。对于永磁同步电机，正确的转子位置识别也是控制的前提，编码器能提供给驱动器正确的转子位置，也是控制的关键。

• （3）驱动器

  
  

驱动器是伺服控制的核心。根据电机类型的不同，驱动器也分为不同的种类，如晶体管放大驱动器、直流驱动器及交流驱动器，目前工控行业比较常见的是交流驱动器。例如，西门子公司推出的SinamicsS120驱动器，其实是通过SPWM方式来控制电机的，其控制方式是空间矢量控制。通常情况下，电流环与速度环都是在驱动器中实现的，而位置控制可以在运动控制器中完成，也可以在驱动器中实现。

电流环与速度环的闭环特性是衡量一个控制系统性能的标准，如电流环与速度环的采样周期，速度环与电流环的带宽，控制回路上的各种滤波、延迟等，都会影响系统的精度与动态响应能力。

• （4）运动控制器

  
  

运动控制是在驱动器的速度环基础上，增加了位置控制、齿轮同步、凸轮、插补等运动控制功能的控制方式。

运动控制器对驱动器的控制方式有3种，即数字通信方式、模拟量方式、脉冲方式。

• ①数字通信方式：分辨率高，信号传输快速、可靠，可以实现高性能的灵活控制，需要通信协议。例如，西门子的Simotion与驱动器之间的数据交换采用基于Profibus或Profinet的Profidrive协议。还有其他一些欧系公司采用CAN总线的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK总线的驱动产品，通过以上的总线方式，实现了传动与运动控制器之间的数据传输控制，特别适合于需要各轴间的协调同步和插补控制的应用，除了实现机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外，还可实现要求精度极高的相位协调控制等。

  
  

• ②模拟量方式：分辨率低，信号可靠性与抗干扰性能差，但兼容性好。例如，西门子的运动控制器Simotion与第三方驱动器之间的控制可以通过模拟量的方式来实现。

  
  

• ③脉冲方式：可靠性高，快速性差，灵活性差。驱动对象为步进电机。

  
  

在系统选型配置过程中，运动控制器对驱动器的控制方式是设计者需要考虑的重要因素。通信是Zui稳定、快捷的控制方式，要考虑通信的传输速度。通信周期受通信速率与数据量大小的制约，以西门子的运动控制器Simotion为例，在传输速率为1.5Mbit/s的情况下，控制6个以上的轴时，系统的通信周期默认为3ms。受通信周期的限制，运动控制器的插补周期与位置环采样周期通常为通信周期的整数倍。对于运动控制器来说，其插补周期与位置环采样周期是衡量系统性能的关键。

• （5）机械传动

  
  

电机通常靠机械传动结构（如联轴器、齿轮箱、丝杠、传送带、机械凸轮等）与负载相接。这样，联轴器的刚性、齿轮间隙、传送带的松紧都会影响系统的控制精度。例如，对于直线移动的执行部件，电机通常靠同步皮带轮或者丝杠进行连接，同步皮带轮的啮合间隙或者丝杠螺母的滚珠与滚道间隙等，都会对直线运动位移精度造成影响。而对于机械凸轮，必须保证速度或加速度边界条件，才能使系统不至于产生机械谐振。

• （6）负载

  
  

作为控制的Zui终对象，负载对系统性能的影响也不可忽略。负载的转动惯量的大小会影响系统的动态特性，如转动惯量大，其加速与停止过程中会要求系统的输出扭矩大，要求驱动器的驱动能力高。

负载与电机的转动惯量比也会影响系统的性能，转动惯量比越小，控制越容易，但电机的效率越低；惯量比大，会给系统的高频带来谐振点，从而增加控制难度。关于负载与电机惯量比的分配，可以参考BoschRexroth公司给出的“适配标准” ：快速定位＜2∶1，修正定位＜5∶1，高速率变换＜10∶1。