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伺服电机驱动扭矩和惯量的研究与讨论

2023-05-11胡宪委

中国新技术新产品 2023年3期
关键词:惯量伺服电机扭矩

胡宪委

(上海发那科机器人有限公司,上海 201906)

工业自动化设备设计中多涉及伺服电机[1]选型问题,其中也多涉及系统中的惯量匹配[2]问题。书籍和电机相关资料并没有针对系统惯量比的具体比值给出一个理论值,尽管个别书籍资料给出了一定的建议范围值,但也没有特别详细的解析,有些解释比较模糊。在设计中也会多次遇到电机的驱动扭矩和转速虽然都已满足工作需求,但系统的惯量比较大,在参数上为将系统惯量比调整到较小的值,需要更换电机的型号,这样往往会选出大一个或两个规格的电机型号。许多设计者在默认地遵循惯量匹配,并控制惯量比处于一个比较小的值,当负载惯量特别大时,往往不好调整出较小惯量比。针对这种情况,该文通过试验研究了100 倍系统惯量比的伺服电机驱动情况,验证伺服电机在实际应用中可输出的驱动性能,并结合测试数据讨论伺服电机的工作情况。

1 试验平台

本次试验选用的伺服电机型号是西门子1FK7060-3BF71-1CH1,电机驱动器型号6SL3120-1TE15-0AD0,此电机的功率是1.5kW,额定转速是3000r/min,额定扭矩是4.7N·m,静态扭矩是6.0N·m,转动惯量是12.5kg·cm2,特性曲线图如图1 所示。为了使试验数据与理论对比更真实,搭建了试验平台,如图2 所示。

图1 特性曲线图

图2 试验平台

在试验平台中,传动结构是伺服电机通过联轴器直连负载进行旋转运动,以消除传动系统中的摩擦力。为消除负载对电机输出轴的径向力影响,在结构上设计为电机垂直安装,负载重心与电机轴重心重合,负载由电机轴轴向承担。为避免负载自重对电机轴工作时的影响,控制设计负载质量小于电机轴允许的轴向负载,负载件材料主要选用铝材,负载件由转盘、MLM24 联轴器、铝材材料(40 型材L=0.9m)和2 个内六角螺栓组成,完整的负载模型如图3 所示。旋转轴绕负载坐标系Z轴旋转。经过三维软件计算负载模型的准确质量和惯量,负载总质量为3.13kg,负载总惯量Lzz=1263.41kg·cm2,负载惯量相当于100 倍电机惯量(12.5kg·cm2)负载。

图3 负载模型

2 空载扭矩监控

空载是指电机轴处不外接负载,理论上负载扭矩为0kg·cm2。在实际中,电机本体是有转动惯量的,转动惯量也是负载的一种,另外电机内部的旋转结构也存在摩擦力。由于实际中转速和加速度都可能会产生影响,此处无法准确计算具体消耗了多少电机的自身扭矩,为避免对后续试验数据分析的影响,先进行多种工况下空载的扭矩监控。

试验方法是将电机垂直安装在试验平台的框架上,按照指定的加速度、减速度和速度进行自转,监控电机运动过程中的扭矩状态,本次试验的全部过程都按照减速度与加速度参数相等进行试验统计,连续转动的时间约30s(通常为工业自动化设备中单轴的工作时间)。实际监控到的加、减速阶段中的扭矩和匀速阶段中的扭矩数据见表1。

表1 空载状态下电机消耗扭矩监控记录

在表1 中,试验时加速度采用5.87r/s2的原因是在此加速度驱动下,理论计算需要的电机扭矩是额定扭矩4.7N·m;2.93r/s2的加速度为5.87r/s2的1/2;9.98r/s2的加速度下,理论需要使用的电机驱动扭矩是8N·m。

从监控记录上看,空载电机在工作中需要消耗少量的输出扭矩,消耗扭矩随转速的增加而略有增加,匀速工作中大约为0.23N·m~0.50N·m,占比为本次试验电机额定扭矩的5%~10%,整体来讲,对后续的试验数据影响不大。以上的数据采集说明了伺服电机空载时电机自身也需要消耗一定的能量。当设计中选用小功率电机时,应注意考虑这部分摩擦扭矩,在S1 工作制[3]下不可完全使用对应的额定扭矩值。

3 挂载扭矩监控

将100 倍惯量负载安装在试验装置上,按照预先计划的加速度、减速度和速度进行驱动旋转试验,速度由慢到快。

由于当电机在挂载时进行高速旋转运动比较危险,现场试验选择了600r/min 的工作转速,加速度指定为5.87r/s2的基本工作参数,此时理论的加速扭矩为电机额定扭矩,即5.87×2π×(1263.41+12.5)×10-4=4.7N·m。

在匀速运动阶段中,由于角加速度为零,需求驱动匀速运动阶段的扭矩为零,整体运动过程约30s,监控到的扭矩曲线如图4 所示。

从图4 可以观察到,加速时的实际扭矩已达到7N·m,超出理论计算所需扭矩3.3N·m,而加速度在5.87r/s2和速度600r/min 的空载工况下,电机内部还需要消耗摩擦扭矩0.25N·m,因此在加速运动阶段实际超出3.05N·m 的使用扭矩。匀速阶段实际使用的扭矩大约为3.2N·m~3.4N·m,平均约为3.3N·m,超出空载监控扭矩3.05N·m。这部分扭矩属于实际中的摩擦扭矩。

图4 基本扭矩曲线(α=5.87r/s2)

高速旋转运动过程中,外部负载外形会产生一定的风阻,由于为准确计算且负载不超出电机轴的额定负载,这种简单外形的负载在高速旋转过程中会造成风阻,形成摩擦阻力且是不可避免的。在电机输出能量的驱动过程中,同时需要输出一定的扭矩来平衡摩擦阻力产生的摩擦扭矩。因此在实际的匀速运动阶段,负载结构同样会消耗一定的驱动扭矩来抵消运动中产生的摩擦扭矩。如果不考虑摩擦扭矩,试验数据也说明了实际所需扭矩和理论计算是相符的。

为呈现运动过程的对比,了解电机输出的最大扭矩性能,后续同样在600r/min 的工作转速下多次增大加速度并监控电机的输出扭矩,现场记录的加速度分别为20r/s2(7200°/s2)、22.22r/s2(8000°/s2)、23.61r/s2(8500°/s2),工作过程中的扭矩监控如图5 所示。

图5 增大加速度后的扭矩曲线

实际监控到的加速阶段中的扭矩和匀速阶段中的扭矩数据记录见表2。

表2 挂载状态下的电机消耗扭矩监控记录

由图5(a)和图5(b)可知,电机可以按照设定的加速度和速度参数进行完整的加速、匀速和减速运动,电机未发生报警。由图5(c)可知,最终当加速度为23.61r/s2时,电机发生了扭矩报警,从监控记录上观察,加速扭矩达到了19.95Nm,远远超出了电机S1 工作制下的静态扭矩(最大扭矩)6.0Nm,同时也超出了图1 中Mmax的最大值。充分说明了电机在加、减速时输出的扭矩是电机的峰值扭矩,峰值扭矩可以以图1 中的最大扭矩(Mmax曲线)为参考,此曲线对应的扭矩数值为保守值,而准确的最大峰值扭矩在驱动系统内是可以查看到的,这个具体数值在电机搭配具体驱动器后,在驱动器的驱动配置(Configurationd)/参数设置(Reference variables-setting)标签下的参考扭矩(Reference torque)中可以查看到,本次驱动器中显示的参考扭矩为19.95Nm。

4 结论

通过试验观察,整体运动过程均匀流畅,伺服电机可以带动100 倍惯量负载按照预先设计的加速度、速度和位置参数稳定工作。惯量是一种负载,应在系统中加以考虑并进行详细计算,只要电机可以输出实际需求的驱动扭矩,驱动系统就可以完成对应设计参数的运动过程。整体试验过程没有考虑惯量匹配问题。本次试验的设计数据和驱动过程在工业自动化行业中较为常见,可见在工业自动化行业的设备中,较大的惯量比对驱动系统并无影响。

伺服电机在加速阶段时需求的最大扭矩使用的是电机的峰值扭矩,准确的最大电机峰值扭矩在驱动器模块内可以读出,往往略大于图1 中Mmax曲线的对应数值,因为产品样本中提供的参数应该是批量产品中可稳定输出的最小值。在实际应用中,当实际需求扭矩超出实际峰值扭矩时电机会立刻发出扭矩报警。在设计上,考虑电机峰值扭矩时,建议参考图1 中的对应数据。

在许多自动化设备的实际应用中,电机的实际工作状态多属于S3 工作制,在匀速阶段运动过程中可以使用S3 曲线对应的扭矩参数,甚至更大,只是在此过程中电机本体会发生温升。由于完整的驱动周期对应的工作制非S1 工作制,因此当电机间歇休息时又会发生温降,再次工作时电机仍然能输出所需的扭矩。

结合实际工作情况,综合考虑完整的驱动周期,合理选用电机,可优化选型或可选出更小规格的电机。结合实际工作制,充分、合理应用伺服电机超扭矩、超转速驱动能力可大幅度提升驱动效率。

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