负载动态特性对伺服电机跟随性能影响研究
第２０卷第４期
２０１３年８月工程设计学报ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＶｏｌ．２０Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０１３收稿日期：２０１３‐０３‐１２．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７５１３７）．
作者简介：聂挺（１９８７－），男，江西樟树人，硕士生，从事伺服驱动、多轴运动控制研究，Ｅ‐ｍａｉｌ：ｎｉｅｔｉｎｇ２１２＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．
通信联系人：王文格，男，教授，博士，Ｅ‐ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｇ＠ｈｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６‐７５４Ｘ．２０１３．０４．００９
负载动态特性对伺服电机跟随性能影响研究
聂 挺，王文格，戴俊良
（湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙４１００８２）
摘 要：伺服系统工程应用越来越广泛，但负载动态特性对伺服电机跟随性能的影响关系目前仍不完全明确．为明
确其影响关系，提出负载动态特性对伺服电机跟随性能影响的分析方法，根据伺服驱动理论，建立伺服驱动数学模
型，分析伺服电机跟随误差的形成原理，建立伺服电机跟随误差与负载的函数关系．设计不同动态特性负载实验，
验证了负载动态特性对伺服电机跟随性能的影响与理论分析相符．根据伺服电机跟随误差与负载的函数关系优化
负载动态特性、电机惯量和伺服周期三个变量，进行对比实验，结果表明伺服电机的跟随性能得到了提升．
关键词：机械传动；伺服驱动；动态负载；跟随误差
中图分类号：ＴＰ２９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６‐７５４Ｘ（２０１３）０４‐０３０９‐０６
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ＮＩＥＴｉｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｎ‐ｇｅ，ＤＡＩＪｕｎ‐ｌｉａｎｇ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｓｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂｕｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｒｅｎｏｔｅｎ‐ｔｉｒｅｌｙｃｌｅａｒ．Ｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｚｅｈｏｗｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ‐ｔｉｃｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｔｈｅｏｒｙ，ｗｅｂｕｉｌｔｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅ．Ｔｈｅｎｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｆｏｒｍ‐ｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｅｒｒｏｒｏｆｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒ，ａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｅｒ‐ｒｏｒｏｆｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ，ｗｅｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｅｒ‐ｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒｃｏｎｆｏｒｍｔｏｔｈａｔｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｗｅｏｐｔｉｍｉｚｅｒｅｌｅｖａｎｔｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｇｏｔｔｅｎｂｙｓｏｍｅｃｏｎｔｒａｓｔｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒｈａｖｅｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅ；ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ；ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｅｒｒｏｒ
独立伺服驱动的产生和发展是机械传动领域的
一次变革，它的应用使相关机械产品在运行精度、可
靠性、消噪和维护等方面得到了提升．如机床领域，
通过使用伺服电机驱动运动部件，削弱了传统机械
传动链的弹性变形、磨损、振动等因素的影响［１］，提
高了机床的加工精度．包装机械方面，德国某公司新
研发的Ｍ系列包装机，采用独立伺服驱动技术代替机械传动方式，降低了生产成本，提高了机组的运动精度，使机器效率达到９０％以上［２］．伺服驱动的应用改善了机械的综合性能，如何发挥伺服电机的性能是应用中的关键问题，传统伺服电机的选择一般通过转矩和惯量匹配的方式确定［３］．当负载特性稳定时通过此种方式可以较好地满足应用要求．当负载动态变化时通过传统方式选