伺服电动缸的运动能耗测试与分析

伺服电动缸的运动能耗测试与分析

陈洋洋

622727198809092010

摘  要

伺服电动缸作为线性执行器的一种相对液压缸和气缸在传动效率环境适应能力、结构复杂程度和定位精度等方面具有很大的优势目前服电动缸在港口、自动化工厂、航空航天机器人和科研设备等领域都得到广泛的应用。随着伺服电动缸在诸多行业的广泛应用对其定位精度和稳定性的要求也越来越高,对于半闭环伺服电动缸其传动系统机械刚度对定位精度的影响较大,虽然国内学者对伺服电动缸做了很多的研究但是主要集中在结构设计、伺服控制系统的优化和测试试验台的搭建上面关于同服电动缸传动系统机械刚度方面的研究很少本文以和某企业同研制的同服电动缸为基础开展了以下研究工作简述了伺服电动缸的基本组成和工作原理分别求解了滚珠丝杠等效轴向刚度模型同步带等效轴向刚度模型、轴承组轴向刚度模型和推杆的轴向拉压刚度模型根据伺服电动缸运动和力的传递路径将伺服电动缸机械传动系统各环节等效成一系列串联的弹簧质量块参照胡克定律建立伺服电动缸传动系统的机械刚度模型。基于伺服电动缸传动系统机械刚度模型分析了半闭环伺服电动缸传动系统的各个环节对其定位精度的影响程度忽略影响较小的环节对影响较大的。

关键词：伺服电动缸，滚珠丝杠，伺服系统控制

一、绪论

随着工业生产自动化的推进，自动化生产工艺对设备的要求越来越高，传统的气缸、液压缸已经不能满足人们的需求，此时，电动缸应运而生，在许多设备工业中应用广泛。

二、伺服电动缸的运行能耗测试系统设计

2.1 伺服电动缸运行能耗测试方案制定

伺服电动缸运行能耗试验方案的制定，不仅要考虑试验对象、试验动作条件和负载运行条件，还要考虑伺服电机缸运行耗能试验的需求分析。

2.2试验对象、试验动作条件及负载运行状况

试验中选用两个日本SMC株式会社的 LEFS25AB-500B-R16N型号的直线导轨式伺服电动缸作为研究对象，其中，一个伺服电动缸水平安装，另一个伺服电动缸则竖直安装；选用两个与伺服电动缸型号相匹配的日本SMC 株式会社的步信息输入型 LECA6N1-LEFS25AB-500B 型号的伺服驱动器，其中，一个伺服驱动器驱动水平安装的伺服电动缸，另一个则驱动竖直安装的伺服电动缸；选用日本 SMC株式会社的 LEC-T1-3EGS型号的示教盒进行步信息输入与设定。

2.3伺服电动缸运行能耗试验的需求分析

伺服电动缸运行能耗试验的目的是针对水平与竖直两种安装方式下的伺服电动缸、针对不同质量的负载、针对不同加减速度及匀速阶段的运行速度、不同行程、不同往返直线运行次数等工作状况下，对伺服电动缸的运行能耗进行研究，包括：

(1) 伺服驱动器的输入侧直流电流、伺服驱动器的运行能耗及从伺服驱动器传输到永磁同步电动机的电能传输效率的数据与波形的检测与显示；

(2) 永磁同步电动机的三相线电压、三相相电流、频率、转子角速度、功率、反电动势、转子轴输出的负载功率、转子轴输出的负载转矩、传递效率、永磁同步电动机的运行能耗等的数据与波形的检测与显示；

(3) 滑台的位移、运行速度、加速度、传递滑台的机械能、滚珠丝杠到滑台的传递效率等的数据与波形的检测与显示；

(4) 永磁同步电动机制动回路电流及其运行能耗的数据与波形的检测与显示。基于以上四点需求得出LabVIEW的组成部分,由数显智能直流电表、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、激光位移传感器和数据采集卡组成的硬件测试平台，具有采集速率高、AD转换速率高、采样精度高、可以同时进行多通道数据采集及 AD 等特点，因此可进行伺服驱动器、永磁同步电动机、伺服驱动器再生制动回路、滑台（负载）等运行能耗测试试验[5]。

LabVIEW 上位机软件可以在线采集、处理、显示被测以上四点要求论述中所涉及到的模拟量的数据及波形，基于 LabVIEW 的伺服电动缸运行能耗测试系统具有成本低、操作灵活与方便、工作效率高、信息开放、存储容量大(依据 PC 机的硬盘容量)等特点。

2.4上位机软件设计LabVIEW

LabVIEW 是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器公称平台，是一种基于G语言的专门用于测量、控制、监控、图像处理、数据处理及分析等的软件开发平台。

2.5测试程序流程

基于 LabVIEW 的伺服电动缸运行能耗测试系统程序流程图如图 4-6 所示，首先，对采样参数与采样模式进行设置与选择，包括模拟量输入模式(单端输入模式、伪差分输入模式或全差分输入模式)、采样通道、采样频率、采样数目、采样时间、信号输入量程选择、伺服驱动器的载波频率、永磁同步电动机的电气与机械参数、滚珠丝杠副一些参数、滑台与负载的总质量、滑台的运行状况等进行设置；其次，可以进行伺服驱动器运行能耗测试、永磁同步电动机运行能耗测试、伺服驱动器再生制动回路运行能耗测试、滑台运行能耗测试，测试刚开始的时刻，会对永磁同步电动机三相线电压与三相相电流是否平衡进行检测并且显示；再次

，就会进行数据采集、AD 转换、信号调理、低通滤波、分析与处理数据、显示数据与波形、存储数据与波形等步骤；最后，达到测试目的便可以按下“停止采集”按钮，然后数据采集卡便会清空 FIFO 缓存并结束数据采集与 AD 转换，于是整个测试过程就完成了，剩下的工作就是对保存的数据与波形的继续分析及处理[6]。

2.6滑台（负载）运行能耗 的数据采集、处理及分析

利用激光位移传感器可以测量滑台（负载）的位移，对滑台的位移求一次导数便可以得到滑台的运行速度，对滑台的运行速度求一次导数便可以得到滑台的运行加/减速度，然后就可以去计算滑台（负载）运行能耗。

第三章 总结

通过对伺服电动缸的大量文献研究，运动控制模型的推导和仿真，运行能耗理论模型的分析和推导以及运行能耗试验过程，研究发现，在伺服电动缸的仿真和运行能耗试验研究中还存在许多不足和有待解决的问题，主要有以下几点：

1 .从运动控制模型的推导来看，伺服电动缸是一种机电产品，具有结构复杂、零件多、零件耦合性强等特点。一方面，要知道大量的伺服驱动器参数、永磁同步电机参数、机械传动参数等。另一方面，还需要对伺服驱动器、永磁同步电机和机械传动的模型进行大幅度简化，便于分析计算，从而导致理论推导或仿真模型与实际模型之间或多或少的书写误差。

2.在伺服驱动器内部电路的功率损耗计算方面，在运行能耗测试中，在计算伺服电机内部电路功率损耗时，根据第三章第二小节的理论推导出的伺服驱动器内部电路功率损耗的数学模型不进行计算，而是采用间接法进行计算。

参考文献

[1]郑再平,吴红星,王璐,倪永健.永磁同步电机伺服系统速度环控制技术[J].微电机,2017,50(01):91-96.DOI:10.15934/j.cnki.micromotors.2017.01.020.

[2]郑国昆,王小军,李道平.滑模变结构趋近律控制在电动缸位置伺服中的扰动抑制研究[J].导弹与航天运载技术,2014(05):56-59.

[3]王永强,张承瑞.滚珠丝杠进给系统仿真建模[J].振动与冲击,2013,32(03):46-49+55.DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2013.03.006.

[4]张礼兵,游有鹏,吴婷.数控位置伺服系统控制策略研究[J].中国机械工程,2012,23(14):1693-1697.