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閑話伺服響應帶寬

時間:2019-09-02來源:《智造商》微信公眾號 作者:麥總mcrazy

導語:提到伺服驅動器?的控制環,我們知道它通常包括:位置環、速度環、電流環這三種類型。

提到伺服驅動器的控制環,我們知道它通常包括:位置環、速度環、電流環這三種類型。盡管它們每個回路的目的,是為了控制電機在幾個不同方面的輸出性能,但它們都有一個共同的參數:帶寬。

帶寬頻率

對于伺服驅動器來說,控制環帶寬的定義為閉環響應幅度為-3dB時的頻率。此時,它輸出的比例增益,也就是輸出與輸入之比,約為其最大值的70.7%(1/√2);其輸出功率,即傳遞給負載的功率,為輸入功率的一半。(我們會在以后的推文中和大伙進一步探討響應幅度、輸出增益值、輸出功率與輸入功率之間的關系。)

伺服系統的帶寬衡量著其對變化的輸入指令的響應速度,也決定了它能夠以多快的速度去響應位置、速度或扭矩方面參數(如:反饋、誤差...等)的變化。

伺服系統帶寬

PicSource:machinedesign.com

伺服驅動器的控制回路通常采用多環結構,層層嵌套,最里面是電流環,嵌套在中間的速度環內,而速度環則是嵌套在最外面的位置環內。在這樣的嵌套系統中,內側控制環的響應速度一定是比外側控制環的響應要快的,否則內側環對外側環的影響就會很小或者甚至沒有。對于伺服的控制回路,內側控制環的響應帶寬一般會是外側控制環的5到10倍。也就是說,電流環帶寬大致是速度環的5到10倍,速度環帶寬則約為位置環的5到10倍。

伺服驅動器

PicSource:mitsubishielectric|MELSERVOJ5

伺服驅動器較高的頻響帶寬通常能提供更硬的電機輸出性能,有助于減少運動誤差,提升控制精度,并改善動態響應特性。這也是為什么在實際應用中我們常常會用頻響帶寬去評價伺服驅動產品性能的一個重要原因。例如:現在幾款日系伺服產品的速度環響應帶寬普遍都已經達到了3kHz以上。

但需要注意的是,驅動器的高帶寬也可能會給伺服系統帶來一些負面影響。比如:高帶寬也會讓電機對來自負載和傳動系統的擾動變得十分敏感;再比如,高帶寬會讓電機以更高的頻率去響應負載的波動,這就對系統的動力性能(如:加速度、扭矩和力)提出了更高的要求。

考慮到功耗與力(力矩)之間是平方的關系,因此帶寬的增加會顯著增加電機的功耗(即熱量),從而帶來電機溫度的升高;而由于溫升是確保電機正常運行的一項關鍵因素,所以,事實上電機特性很有可能會對伺服驅動器實際的帶寬產生一定程度的限制作用。

另外,伺服系統中的其他一些因素,如:反饋元件的分辨率、驅動器的刷新速率、負載與電機之間的慣量比、以及電機與負載之間耦合的剛性...等等,也都會影響其最大可實現的響應帶寬。


標簽: 伺服系統伺服驅動器

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