[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(jìn)行著�；�于此，本文從齒輪傳動模型建立與伺服電機(jī)的工作原理兩個(gè)方面進(jìn)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(jī)電耦合精度的影響進(jìn)行了深入的研究。
　　[關(guān)鍵詞]機(jī)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0315-01
　　引言
　　機(jī)電耦合就是當(dāng)機(jī)電耦合相關(guān)參數(shù)在不平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下或者是產(chǎn)生非線性變化時(shí)系統(tǒng)所體現(xiàn)的基本特征。系統(tǒng)在不平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下工作時(shí)，因?yàn)闄C(jī)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(yùn)行精度，嚴(yán)重時(shí)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(jī)電耦合精度進(jìn)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(jī)構(gòu)都可以應(yīng)用以下三種基本的物理模型進(jìn)行表達(dá)：彈性負(fù)載、阻尼負(fù)載以及慣性負(fù)載。為了可以更精確進(jìn)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(jī)看作輸出轉(zhuǎn)矩是T的一個(gè)簡化的動力輸出裝置，其中，齒輪的傳動機(jī)構(gòu)是最常用的一種傳動機(jī)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(jī)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(jī)為：無刷直流電動機(jī)（BDCM）以及三相永磁同步電動機(jī)（PMSM）。其中，BDCM是一種應(yīng)用電子換向進(jìn)行工作的小功率的直流電動機(jī)，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(jī)定子磁極，其定子也就是該直流電動機(jī)中的電樞。與BDCM不同的是有刷直流電動機(jī)，其工作原理是借助于機(jī)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(jī)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(jī)中轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組，從而減少了電刷、滑環(huán)以及勵(lì)磁線圈的使用，整個(gè)系統(tǒng)通過電子來控制換向，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊處的無刷運(yùn)行。繞線的同步電動機(jī)工作原理與永磁同步電機(jī)定子基本相似，其電機(jī)中輸入的電流基本都是三相的正選交流電，因此，此類電機(jī)又被稱為是三相永磁同步電機(jī)。目前，對于這兩種電動機(jī)的區(qū)分依據(jù)是永磁體勵(lì)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(shí)，才可以產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的恒定電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)感應(yīng)電動勢應(yīng)為梯形波。然而，永磁交流同步電機(jī)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(jìn)行假設(shè)：1）忽略鐵心的飽和；2）不計(jì)較渦以及磁滯的損耗；3）電機(jī)的永磁體以及轉(zhuǎn)子上面都不存在繞組作用；4）電機(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)間設(shè)置為0，同時(shí)可以得到系統(tǒng)的仿真曲線，同時(shí)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(jī)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(jìn)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(yán)重的震蕩現(xiàn)象，對系統(tǒng)的精度也會造成十分嚴(yán)重的影響。剛度太小則會導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)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(jī)電耦合精度的影響
　　間隙非線性問題主要是由于機(jī)構(gòu)存在傳動間隙而引起的，其主要出現(xiàn)在伺服機(jī)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(jìn)一步探究間隙非線性對整個(gè)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(jìn)行仿真結(jié)果的進(jìn)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(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量也隨之增加，進(jìn)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(jī)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(shí)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(gè)系統(tǒng)虛擬成一個(gè)無誤差系統(tǒng)和一個(gè)干擾信號的疊加。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)輸入信號是0的時(shí)候，可以利用信號發(fā)生器發(fā)出一個(gè)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(dāng)信號的發(fā)生頻率相對較小時(shí)，系統(tǒng)傳動鏈產(chǎn)生的傳動誤差基本不會對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生精度特性的影響，然而，當(dāng)信號的發(fā)生頻率相對較大時(shí)，系統(tǒng)傳動鏈產(chǎn)生的傳動誤差接近于無衰減的對整個(gè)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(jìn)行傳動誤差分析時(shí)，可以把分析的重點(diǎn)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(jī)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(jìn)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(shí)只有系統(tǒng)輸入信號超過上述的范圍時(shí)，才會顯示有輸出信號，而這個(gè)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。基于系統(tǒng)閉環(huán)校正的影響，死區(qū)的范圍比較小時(shí)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(kuò)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(jī)電耦合精度的影響進(jìn)行了仿真和分析。隨著我國機(jī)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(xiàn)
　　[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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