评估伺服系统性能

人们普遍认为，来自不同制造商的两个具有相同功率范围的伺服系统大致相当，唯一的另一个重要比较点是价格。这不是真的，这里的信息将揭穿这一信念。在比较伺服系统时，您不能忽视的重要功能包括:

• 额定转矩
• 额定转速
• 过载时间
• Torque-to-inertia比率
• 决议
• 频率响应
• 基于网络的解决方案
• 物理尺寸
• 质量和可靠性。

伺服力矩

伺服的扭矩范围分为两类:连续和间歇工作(见图1)。连续工作范围表示伺服可以在不过热或损坏电机的情况下提供24/7的扭矩。间歇工作范围是指伺服系统仅在短时间内可提供的扭矩值。这些脉冲通常用于加速、减速和处理短暂的负载扰动。

不幸的是，扭矩和速度评级在整个运动控制市场并不一致。伺服系统可以在间歇范围内(有时称为过载时间)继续传递扭矩的时间量在伺服制造商之间差异很大，并不总是明确规定。这一特性本身就可以使伺服系统可以执行的任务类型产生显著差异。在确定伺服系统的尺寸时，请记住RMS(均方根，或粗略地说，平均)扭矩要求必须在伺服系统运行不过热的连续工作范围内。伺服电机的占空比受限于它所能散发的热量。

在一台终端用户的机器上进行了一项测试，测试的是两种外部尺寸大致相同的伺服电机(见图2)。尽管它们的物理尺寸几乎相同，但它们的额定功率不同——一个额定功率为750w，另一个为860w。经过对机器操作的多次测试，得出的结论是，750-W电机显然更适合这种应用。

如果不理解额定扭矩值并不是在所有伺服系统的相同速度下测量的，结果似乎违反直觉。电机的功率方程是用扭矩和速度来表示的，在运动控制行业中，两者都没有伺服的标准额定值。因此，选择在机器运行速度下具有所需扭矩的电机是至关重要的，而不是专注于额定功率。一个伺服电机的内部定子绕组可以提供更多的速度和更小的扭矩或更多的扭矩和更小的速度在相同的瓦数。

伺服惯性

到目前为止，只讨论了扭矩、速度和功率。惯量是选择伺服时要考虑的另一个非常重要的规格。伺服电机的转子惯量和负载(负载耦合到电机的轴)的惯量之间的比率是关键的。

根据定义，伺服系统是一个闭环系统，其控制算法是不断改变电机中的电流。发送到电机的电流是基于复杂的计算，包括其反馈和其位置、速度和扭矩的命令值之间的差异。电机与负载之间的惯性比将显著影响伺服系统对电机的精确控制能力。如果比例过高，电机将超出其目标并引起振荡。这些振荡可以是轻微的，如电机停止时的轻微摆动，也可以是严重的，如可能损坏机器的剧烈振动。

目前可用的高性能伺服电机具有低惯性，永磁转子，可以在一个小的包装中提供大量的扭矩。重要的是选择合适的机械传动(如变速箱、滚珠丝杠或带轮)，以实现负载与转子的惯性比在可接受的范围内:

• 10:1平均性能
• 5:1高性能
• 1:1最高性能。

伺服系统分辨率

另一个重要因素是反馈装置的分辨率。编码器的分辨率在不断提高。编码器具有20位或更高的分辨率是很常见的。一个20位编码器每转有超过100万个脉冲(2^20.= 1048576)。

虽然这看起来有点过分，但请记住，伺服的目的是确定命令位置和实际位置之间的差异，并将误差值驱动到零。分辨率越高，伺服系统检测运动并做出修正的速度就越快，从而获得更高的刚度和更严格的负载控制。

伺服系统频率响应，带宽

伺服系统实时计算和传递电流的能力(因此是扭矩)可能是伺服系统变化很大的另一个领域。伺服系统的频率响应是衡量其跟踪命令信号变化能力的指标。

伺服系统的带宽是在正弦信号被命令进入其速度环时定义的，并且正弦波的频率被提高，直到伺服系统不能改变轴速度以匹配命令信号。当实际速度下降到命令信号的70.7% (-3 dB)时，该频率被测量为带宽。在过去的24年里，高性能伺服的速度环带宽从低于100 Hz的水平增加了10倍，现在超过了1 kHz。

伺服系统控制

随着动力的进步，伺服系统控制也有了许多改进。大多数现代伺服系统具有基于网络的架构，这降低了实现成本并提高了诊断能力。布线的减少也提高了oem调试多轴系统的速度，从而带来更高的利润和更高的吞吐量。在这个通信日益增长的时代，伺服系统控制和工厂制造执行系统(MES)和SCADA系统之间处理信息的网络连接是绝对必须的。添加的诊断功能可以减少停机时间，并允许远程资源快速排除问题。

随着伺服性能的提高，放大器和控制器中电子器件的尺寸减小了。热效率设计需要更少的放大器之间的空间。这些进步有助于缩小电子设备的占地面积，从而为整个系统节省了大量成本。更小的控制柜和由此节省的房地产可以用来创造一个更有效的利用工厂车间。

伺服系统质量

当然，如果系统质量较差，上述特性就没有什么好处。重要的是要选择一个有良好质量记录和数据支持这些声明的制造商。平均无故障时间是对产品质量和可靠性的统计测量。询问这些信息之前您的购买可以帮助您选择一个运动控制合作伙伴，其产品提供了较低的总拥有成本。

在购买伺服系统之前，有很多因素需要考虑。在比较伺服系统时，请记住，确定真正价值的标准远远超出了瓦数和价格。

- - - - - - J埃里泰森是东南地区的运动工程师安川美国公司他在运动控制行业有26年的经验，并在安川工作了25年。他拥有佐治亚理工学院的学士学位。

Michael Miller是安川美国公司(Yaskawa America Inc.)的区域运动工程经理，他在那里工作了16年。他有凯特林大学的学士学位。

本文发表于应用自动化补充的控制工程而且设备工程．

-其他文章将从增刊下面链接，当张贴。

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