如何選擇合適的聯軸器降低伺服系統的共振?

發布日期：2023-09-18 瀏覽次數：15

　　　　伺服系統是一種能夠實現精確位置控制和速度控制的自動控制系統，廣泛應用于工業、汽車、航空航天等領域。伺服系統的核心部件是伺服電機和伺服驅動器，它們通過聯軸器連接在一起，形成一個閉環控制系統。聯軸器是一種用于連接兩個旋轉軸的機械元件，它可以傳遞扭矩和角度信號，同時可以補償軸之間的偏差和吸收沖擊和振動。

　　然而，在實際應用中，伺服系統往往會遇到一個難題：共振。共振是指當外界施加的周期性激勵與系統固有的振動頻率相近或相等時，系統會產生劇烈的振動現象。共振會導致系統性能下降，甚至造成系統損壞或失效。因此，如何選擇合適的聯軸器來降低伺服系統的共振，是一個值得關注的問題。

　　伺服系統的共振原因和類型

　　伺服系統的共振原因主要有以下幾個方面：

　　機械結構特性：不同的機械結構具有不同的固有頻率和模態，當外界激勵與某一固有頻率相近或相等時，就會產生機械共振。機械共振受到機械結構剛度、阻尼、質量分布等因素的影響。

　　電氣參數特性：不同的電氣參數具有不同的特征頻率和阻抗，當外界激勵與某一特征頻率相近或相等時，就會產生電氣共振。電氣共振受到電氣參數阻抗匹配、濾波器設置等因素的影響。

　　控制參數特性：不同的控制參數具有不同的帶寬和相位裕度，當外界激勵與某一帶寬或相位裕度相近或相等時，就會產生控制共振。控制共振受到控制參數調節方法、環路穩定性等因素的影響。

　　根據共振發生在哪個環節，可以將伺服系統的共振分為以下幾種類型：

　　位置環共振：位置環是指通過位置傳感器(如編碼器)反饋位置信號，并通過位置控制器(如PID)進行位置誤差補償的閉環控制系統。位置環共振是指當外界激勵與位置環固有頻率或帶寬相近或相等時，產生的劇烈振動現象。位置環共振的表現為：系統定位精度下降，定位過程中出現振蕩或超調，定位結束后出現回彈或抖動。

　　速度環共振：速度環是指通過速度傳感器(如霍爾傳感器)反饋速度信號，并通過速度控制器(如PI)進行速度誤差補償的閉環控制系統。速度環共振是指當外界激勵與速度環固有頻率或帶寬相近或相等時，產生的劇烈振動現象。速度環共振的表現為：系統速度波動增大，運行過程中出現振蕩或抖動，運行結束后出現沖擊或停頓。

　　電流環共振：電流環是指通過電流傳感器(如霍爾傳感器)反饋電流信號，并通過電流控制器(如PI)進行電流誤差補償的閉環控制系統。電流環共振是指當外界激勵與電流環固有頻率或帶寬相近或相等時，產生的劇烈振動現象。電流環共振的表現為：系統電流波動增大，發熱增加，噪音增大，效率降低。

　　聯軸器對伺服系統共振的影響

　　聯軸器作為伺服系統中連接伺服電機和負載的重要部件，對伺服系統共振有著重要的影響。聯軸器的選擇不當，可能會導致以下幾種情況：

　　聯軸器剛度過高：如果聯軸器剛度過高，會使得伺服系統整體剛度增加，從而使得系統固有頻率提高，更容易與外界激勵發生共振。此外，聯軸器剛度過高，也會使得伺服系統阻尼減小，從而使得系統更難消除振動。

　　聯軸器剛度過低：如果聯軸器剛度過低，會使得伺服系統整體剛度減小，從而使得系統固有頻率降低，更容易與外界激勵發生共振。此外，聯軸器剛度過低，也會使得伺服系統扭矩傳遞能力降低，從而使得系統更難實現精確控制。

　　聯軸器不平衡：如果聯軸器不平衡，會使得伺服系統在旋轉過程中產生不平衡力和力矩，從而引起額外的振動和噪音。此外，聯軸器不平衡，也會使得伺服系統在旋轉過程中產生不平衡應力和應變，從而加速聯軸器和其他部件的磨損和損壞。

　　因此，在選擇聯軸器時，應該根據伺服系統的工作條件和性能要求，綜合考慮聯軸器的剛度、阻尼、質量、平衡等因素，選擇合適的聯軸器類型和規格。

　　聯軸器的類型和選擇

　　根據聯軸器的結構和工作原理，可以將聯軸器分為以下幾種類型：

　　剛性聯軸器：剛性聯軸器是一種沒有彈性元件的聯軸器，它可以實現兩個旋轉軸之間的嚴格同步，并能承受較大的扭矩。剛性聯軸器適用于兩個旋轉軸之間沒有相對位移和偏差，且運行平穩、無沖擊的情況。剛性聯軸器的優點是結構簡單、成本低、傳動效率高，缺點是不能補償軸之間的偏差和吸收沖擊和振動，容易產生噪音和磨損。常見的剛性聯軸器有套筒式、法蘭式、花鍵式等。

　　彈性聯軸器：彈性聯軸器是一種有彈性元件的聯軸器，它可以在一定范圍內補償兩個旋轉軸之間的相對位移和偏差，并能吸收沖擊和振動。彈性聯軸器適用于兩個旋轉軸之間有小量的相對位移和偏差，或運行不平穩、有沖擊的情況。彈性聯軸器的優點是能夠保護機械部件，減少噪音和磨損，缺點是傳動效率低、承載能力小、溫度影響大。常見的彈性聯軸器有橡膠式、彈簧式、齒形式等。

　　液力聯軸器：液力聯軸器是一種利用液體動力學原理實現扭矩傳遞的聯軸器，它由泵輪、渦輪和工作液組成，泵輪與輸入軸連接，渦輪與輸出軸連接，工作液在泵輪和渦輪之間循環流動。液力聯軸器可以實現兩個旋轉軸之間的無接觸傳動，并能在一定范圍內調節輸出速度和扭矩。液力聯軸器適用于兩個旋轉軸之間有較大的相對位移和偏差，或需要平穩啟動、過載保護、變速調節的情況。液力聯軸器的優點是能夠實現柔性傳動，減少沖擊和振動，提高控制靈活性，缺點是傳動效率低、發熱大、占用空間大。常見的液力聯軸器有恒轉矩式、恒功率式、可變速式等。

　　根據伺服系統的共振類型和原因，可以選擇不同類型的聯軸器來降低伺服系統的共振。以下是一些參考建議：

　　位置環共振：位置環共振主要由機械結構特性和控制參數特性引起，因此可以選擇彈性聯軸器或液力聯軸器來降低位置環共振。彈性聯軸器或液力聯軸器可以增加系統阻尼，降低系統固有頻率，從而降低位置環共振。同時，還應該合理調節位置控制參數，提高位置環帶寬和相位裕度，從而提高位置環穩定性。

　　速度環共振：速度環共振主要由電氣參數特性和控制參數特性引起，因此可以選擇剛性聯軸器或彈性聯軸器來降低速度環共振。剛性聯軸器或彈性聯軸器可以提高系統剛度，提高系統特征頻率，從而降低速度環共振。同時，還應該合理調節速度控制參數，提高速度環帶寬和相位裕度，從而提高速度環穩定性。

　　電流環共振：電流環共振主要由電氣參數特性引起，因此可以選擇剛性聯軸器或液力聯軸器來降低電流環共振。剛性聯軸器或液力聯軸器可以提高系統阻抗匹配，提高系統特征頻率，從而降低電流環共振。同時，還應該合理設置電流濾波器，提高電流環帶寬和相位裕度，從而提高電流環穩定性。

　　綜上所述，伺服系統的共振是一個影響系統性能和壽命的重要問題，選擇合適的聯軸器是降低伺服系統共振的有效方法。在選擇聯軸器時，應該根據伺服系統的工作條件和性能要求，綜合考慮聯軸器的剛度、阻尼、質量、平衡等因素，選擇合適的聯軸器類型和規格。