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深度!传动刚性对运动控制系统的影响

2019年01月31日 14:58:42来源: 伺服与运动控制作者:mcrazy 关键词:运动控制
  不管关于体育运动仍是设备运控,“核心力气”都是至关重要的,本期咱们就来严肃的浅析一下,作为运控体系的“腰”——传动链的刚度特性对运控体系会发作什么样的影响。

  机械传动的刚性,其实说的是运动作用力从动力源输出到负载受力呼应的速度,这个呼应速度越快,就是刚性越好,反之刚性假如较差,就阐明动力源与负载之间的力(或力矩)的传递有延时和迟滞的效应,负载不能及时获得运动所需求的动力。

  传动链在力传导上的延时和迟滞,一般表现为两种方式,回程空隙和弹性特质。在实践运用中,它们往往是一起并存的,但在分析和调整时,咱们往往是分开处置的。

  先说回程空隙。

  回程空隙指的是,传动体系的驱动侧与被驱动侧的联接有“空隙”,两边在运动和工作过程中会在这个“空隙”内发作相对位移。

  比较典型的回程空隙,就是在齿轮传动时所说的齿隙(或背隙)。

  如上图所示(黑色齿轮为驱动侧,灰色齿轮为被驱动侧),假如驱动侧需求向被驱动侧施加向右(CCW)的动力时,需求首要通过回程空隙的相对位移,将黑色齿轮的右旁边面与灰色齿轮左旁边面贴紧并咬合,这种状况,一般发作在灰色齿轮需求被驱动沿 CCW 方向工作并加快或许沿着 CW 方向工作减速工作时。

  回程空隙对运控运用的直接影响就是负载末端的定位精度。原因很简单,由于空隙的存在使驱动侧在很小范围内的调整无法影响和传递到负载末端。

  事实上,回程空隙或许带来的对动态呼应特性和体系安稳性的影响或许更需求引起咱们的留意。

  高动态运控体系的最主要特点,就是需求频频的加减速和方向调整,而咱们上面说了,驱动侧与被驱动侧由于回程空隙引起的相对位移,恰恰往往发作在运动方向调整和加减速过程中。而在这个加减速或许换向的相对位移过程中,驱动侧与被驱动侧是没有应力接触的,也就是说此刻的动力侧电机是处于空载工作状况;而当相对位移完结,驱动侧“齿”切换“咬合”到别的一侧后,电机马上又康复到带载状况。

  所以,在高速动态运控体系中,回程空隙意味着驱动与被驱动侧的“齿牙”需求频频的进行“磕碰”,而动力侧电机则需求重复在带载和空载的工作状况之间切换,关于控制体系来说,就是体系惯量的不断改动。

  咱们知道体系惯量关于运控体系的重要性,运控体系需求依据体系惯量大小来确定输出,而像上面这样由于回程空隙而带来的体系惯量变化,将直接影响控制输出。如上图所示,当变速刚开端时,电机处于空载状况,但其输出却是按照正常带载输出的,所以电机的反应速度、方位和加快度差错加大,这样的反应让体系开端下降输出;而当驱动侧与被驱动侧齿在另一个侧发作磕碰时,对电机发作了反向冲击力,加上原本输出现已减弱,所以必然出现速度、方位和加快度的迟滞;当齿牙顺利咬合,体系惯量现已安稳,电机继续沿着这个方向加快工作,运控体系将自动将迟滞落后的差错逐渐调整康复;但假如依然重复高动态加减速运动,那么体系就需求重复经历上述的体系惯量骤变,并对因此形成的反应差错进行“额定”调整,这种“额定”的调整一方面添加了驱动和电机的输出功耗,另一方面由所以重复骤变“调整”,会形成电机工作时的旋转颤动,严峻的或许因颤动起伏过大导致电机过热。

  假如理解了上面所说的回程空隙带来体系惯量的频频骤变,以及引起的对动态运控体系的扰动,咱们就可以接着说说传动体系中的“绷簧效应”了。

  绷簧效应,并不是说在驱动侧与被驱动侧间真的通过一个柔软的“绷簧”来衔接,而是说,作为运动力传导的机械传动组织有类似绷簧的“柔软的弹性特质”,只需应力满足大,任何传动衔接都是“软”的,所以,用来量化组织刚度特质的数据,是发作单位位移的形变所需求运用的应力值,比如咱们看到联轴器上会标注其刚度数值为 xxx Nm/deg,就是说让这个联轴器改变一度需求施加多大的旋转扭矩应力,这个值越大,阐明其刚度越高,反之,就越软。

  当传动链中出现“绷簧效应”时,电机按照体系惯量输出的扭矩(力)并不能直接作用到负载上,在动态加减速工作时,“绷簧的松紧”会影响作用力(扭矩)的传导,当“绷簧松懈”时,体系惯量减小,输出加快度、速度和方位就会超出给定,“绷簧紧绷”时,体系惯量增大,输出就会低于给定值,而由所以闭环控制,电机须对这样的输出差错进行调整,而实践上这种差错并非来自负载本身,而是由于传动组织的“弹性”对电机带来的一种扰动。

  这种扰动发作的机理与前面提到的回程空隙有很相似的地方,都是在需求加减速时,由于作用力(力矩)传导的迟滞带来的体系惯量的变化,只是在回程空隙的影响下是惯量的骤变,在“绷簧效应”的作用下,惯量程周期性的突变趋势。

  相同的,这种绷簧效应在长期匀速工作的恒定负载体系中,基本不会发作什么扰动,但关于高动态运控运用,由于需求频频的进行加减速和定位调整,体系需求对惯量波动带来的扰动差错进行“额定”调整,这一方面添加的驱动和电机的输出功耗,一起重复对扰动的高频“调整”,会形成电机工作时的旋转颤动,严峻的或许因颤动起伏过大导致电机过热。而在实践调试的时分,为了防止这种颤动,咱们不得不下降运控体系的呼应增益,让体系也随之变“软”一些,不过此刻虽然体系相对安稳,没啥“颤动”了,但其动态特性和精度显然是大打折扣的。

  关于运动体系而言,传动链的刚性不仅仅是影响控制精度那么简单。现在的伺服驱动体系,动辄就可以达到上千赫兹的频响,也就是说为了获取高动态运控功能,可以对负载变化做出极快速的呼应。但是,当传动刚性欠佳时,运控产品的高频动态功能,却需求去呼应由于动力传导迟滞带来的额定负载扰动。而为了减小这种“变负载”对体系安稳性的干扰,咱们有时不得不采取献身高频动态特性,下降伺服频响的办法,先去“保全”体系的安稳性。这关于本可以协助提高运控功能的伺服产品来说,无疑是一种运用上的“糟蹋”。

  所以,要做到运控产品的“物尽其用”,发挥其应有的运控功能,就需求先确保体系的刚性。

  通过这些年的职业开展,不少运控产品内部都添加了针对传动刚性问题的呼应参数,用来减小对某些特定频率特征负载扰动的呼应起伏,然后确保体系整体的呼应频率不会由于机械刚性欠安而被迫下降,并保持满足的动态呼应才能。这部分内容,有机会咱们会在今后逐渐涉及到。

  个人认为,这些关于传动刚性的产品参数,仅仅是从电气控制方面临机械一些补偿办法,在必定程度上下降了传动刚性问题的不良影响,但并不能从本质上改动运控设备的功能。要从根本上提高运控体系的动态特性,首要必须提高传动的刚性。
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