在對精度有要求的運(yùn)動控制應(yīng)用中，有很多伺服電機(jī)和設(shè)備執(zhí)行器都可以滿足其要求，但是完整控制系統(tǒng)的選型、設(shè)計(jì)和集成對于運(yùn)動控制的可重復(fù)性和精度十分關(guān)鍵。盡管相對于有競爭關(guān)系的技術(shù)而言，伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)用時還必須考慮一系列的因素。

　　高精度伺服系統(tǒng)運(yùn)動控制的典型應(yīng)用包括：印刷設(shè)備、旋轉(zhuǎn)填料機(jī)、取放型機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)或組裝操作、鉆孔、切削、攻絲以及其它在單軸或多軸運(yùn)動中使用的簡單索引移動控制等類似應(yīng)用。

　　伺服系統(tǒng)一般用于控制負(fù)載。對于伺服來講，為了完成系統(tǒng)所需的負(fù)載控制功能，必須選取合適的型號。為了保證整個系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求工作，伺服系統(tǒng)必須提供所需的力矩、速度、精度。

　　負(fù)載類型、機(jī)械傳動方式、系統(tǒng)工作周期（啟動和停機(jī)的頻率）、運(yùn)行期間系統(tǒng)所需的速度、系統(tǒng)所需的精度，都是在進(jìn)行系統(tǒng)選型時應(yīng)該考慮的因素。

　　伺服控制的優(yōu)勢

　　對于要求精準(zhǔn)控制運(yùn)動的應(yīng)用，有很多方案可供選擇，包括帶變頻驅(qū)動的直流電機(jī)和交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。

　　圖1 這種伺服電機(jī)和驅(qū)動裝置可以為一系列廣泛的運(yùn)動控制引用提供精確的定位。利用伺服驅(qū)動和內(nèi)部的“索引器”，最多可以預(yù)先配置8個索引運(yùn)動，并安裝到驅(qū)動器中，然后就可以通過來自PLC或PAC的開關(guān)量輸入進(jìn)行選擇和執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動。本文所有圖片來源：AutomationDirect

　　從定位、速度，和力矩控制精度方面來講，伺服系統(tǒng)提供了可能是最高水平的性能。相較于低成本的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)在更高的轉(zhuǎn)速下（最高可達(dá)5，000轉(zhuǎn)/分鐘）仍可以提供更大的力矩。步進(jìn)電機(jī)，最大力矩發(fā)生在零轉(zhuǎn)速時，而伺服電機(jī)的最大力矩發(fā)生在更高的轉(zhuǎn)速。用于設(shè)備控制的典型伺服系統(tǒng)，所能提供的功率范圍也比步進(jìn)電機(jī)更大，可達(dá)3千瓦或更多。

　　也許，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)之間最顯著的不同在于：伺服電機(jī)利用閉環(huán)控制改進(jìn)了定位精度。盡管某些步進(jìn)電機(jī)裝置也具有閉環(huán)控制功能，但是能夠?qū)崿F(xiàn)精確和高速的運(yùn)動控制，并且沒有諸如電機(jī)停止以及定位錯誤等問題，仍然是伺服電機(jī)的普遍優(yōu)勢。閉環(huán)位置控制、更高的力矩和更高的速度，使得伺服電機(jī)在高精度應(yīng)用場合具有更大的優(yōu)勢。

　　相較于具有變頻驅(qū)動的直流電機(jī)和交流電機(jī)，伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速、高峰值力矩和加速度方面具有非常明顯的優(yōu)勢。伺服電機(jī)可以將轉(zhuǎn)速精確的控制在5，000轉(zhuǎn)/分鐘或更高。其閉環(huán)定位能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過變頻電機(jī)和驅(qū)動設(shè)備的典型定位功能。伺服系統(tǒng)還能運(yùn)行在純力矩模式下，這時系統(tǒng)提供特定的力矩而不需考慮定位或轉(zhuǎn)速。這是各種繞線操作的一般需求。

　　精確運(yùn)動控制的8個關(guān)鍵因素

　　升級換代現(xiàn)有伺服系統(tǒng)時，功率大小一般不變，即使電機(jī)的物理大小并不一致。當(dāng)為新應(yīng)用選擇伺服系統(tǒng)時，可以利用選型軟件來幫助選擇，包括利用數(shù)學(xué)公式來確定負(fù)載的慣量、關(guān)鍵參數(shù)等。相關(guān)組件需要經(jīng)過選擇、設(shè)計(jì)、安裝和測試，從而設(shè)計(jì)出一套伺服系統(tǒng)。

　　精確運(yùn)動控制的8個關(guān)鍵組件：　　1.伺服電機(jī)　　2.編碼器反饋　　3.電機(jī)驅(qū)動　　4.變速箱　　5.執(zhí)行器　　6.運(yùn)動控制器　　7.驅(qū)動器通訊硬件　　8.控制和調(diào)節(jié)軟件

　　在設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)、編碼器反饋以及伺服驅(qū)動器（有時候被稱為放大器），必須將其設(shè)計(jì)成按照一個整體協(xié)同工作，使之與電機(jī)和負(fù)載匹配。

　　必須慎重考慮執(zhí)行器的類型和材料選擇。在某些應(yīng)用場合，例如，在精確運(yùn)動應(yīng)用中，鋁制握柄傳動器就有些過于柔軟，因此應(yīng)當(dāng)考慮剛性更大的材料或增加支撐結(jié)構(gòu)。

　　對于高性能系統(tǒng)，負(fù)載的反射慣量，包括任何變速箱和執(zhí)行器的慣量，應(yīng)當(dāng)盡可能的保持在較低水平（理想情況下需要與電機(jī)慣量保持在1:1的水平），但是，一般情況下，在慣量失配比高達(dá)5：1甚至是10:1的時候，其運(yùn)行性能仍然可以接受。

　　選擇好合適的伺服系統(tǒng)和執(zhí)行器，就可以確定用于調(diào)試和控制的運(yùn)動控制器和相關(guān)軟件了。不管是單軸運(yùn)動還是多軸運(yùn)動系統(tǒng)，對于運(yùn)動性能的要求，比如最大速度、加速度變化率（加速度的變化）、總行程、負(fù)加速度等必須加以審慎考慮，以便取得應(yīng)用項(xiàng)目的成功。

　　變速箱和執(zhí)行器的選擇

　　如果需要齒輪減速，相較于大多數(shù)其它齒輪減速裝置來講，精密行星式齒輪減速箱可以提供更好的精度和可重復(fù)性，并且它具有較高的效率，可以從伺服系統(tǒng)獲得最大的功率。變速箱可以降低負(fù)載的反射慣量，數(shù)值等于傳動比的平方。

　　如果某個應(yīng)用需要在高速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)減速，則減速箱是一個很好的選擇，它可以改進(jìn)系統(tǒng)的整體性能。在某些應(yīng)用場合，利用減速箱可以倍增系統(tǒng)可用力矩的數(shù)量，從而可以使用較小的電機(jī)和驅(qū)動裝置，從而節(jié)省大量成本。

　　但是減速箱會將自身的反射慣量疊加到系統(tǒng)上，從而會引入一些反沖。大多數(shù)精密減速箱的反沖都比較小，但是設(shè)計(jì)人員需要意識到這個問題，并對由此所產(chǎn)生的定位錯誤采取適當(dāng)措施。

　　當(dāng)與行星式減速箱配合使用時，伺服系統(tǒng)可以與各種類型的執(zhí)行器連接，提供精確的位置控制，但有一個前提條件：所有這些設(shè)備都必須是精心選擇，并且相互匹配的。盡管可以從不同的供應(yīng)商那里分別購買伺服驅(qū)動裝置、伺服電機(jī)以及行星式減速箱，但是并不推薦這樣做，因?yàn)檫@需要大量的調(diào)研、設(shè)計(jì)和分析，以確保所有的設(shè)備都是配套的。

　　圖2 在很多需要高精度定位或高力矩應(yīng)用場合，行星式減速器和伺服電機(jī)配合工作良好。

　　從同一個供應(yīng)商處采購所有設(shè)備，尤其是那些經(jīng)過仔細(xì)匹配的設(shè)備，具有多重優(yōu)點(diǎn)。供應(yīng)商已經(jīng)完成了所有的研究工作，可以為用戶確保兼容性。大多數(shù)供應(yīng)商還可為這種采購提供更優(yōu)惠的質(zhì)保，供應(yīng)商還可提供連接這些設(shè)備所需的、經(jīng)認(rèn)證的硬件和電纜。

　　在線選型工具

　　某些供應(yīng)商提供了在線選型工具，可以用于選擇伺服系統(tǒng)以及配套的減速箱，減少設(shè)計(jì)工作。在線選擇指導(dǎo)對設(shè)計(jì)提供幫助，還能為某些緊密連接、相互配套、可以作為一個系統(tǒng)來采購的設(shè)備提供某些建議。

　　一般情況下，選擇工具會要求設(shè)計(jì)人員輸入轉(zhuǎn)速和力矩，接著就自動提供一系列可供選擇的電機(jī)-減速箱組合。工程師可以輸入以公制或英制力矩?cái)?shù)據(jù)，或者設(shè)計(jì)人員可以選擇特定的伺服電機(jī)型號。設(shè)計(jì)人員輸入單個數(shù)據(jù)或者選擇一個傳動比。最后，工程師就可以選擇合適的物理結(jié)構(gòu)形式：直線或者直角齒輪，或者是兩者都有。

　　系統(tǒng)清單包括價格信息，很多情況下對于選擇過程來講，價格是一個關(guān)鍵因素。選擇完電機(jī)/減速箱組合后，設(shè)計(jì)人員就可以審查所選伺服系統(tǒng)、減速箱以及兩者組合體的完整規(guī)格書了。

　　更先進(jìn)的選擇工具，可以為伺服電機(jī)的選擇提供幫助。有些應(yīng)用程序可以幫助設(shè)計(jì)人員為某個特定工程選擇最優(yōu)電機(jī)。軟件能夠計(jì)算所需的轉(zhuǎn)速和力矩，并且驗(yàn)證系統(tǒng)的其它需求，比如頂端速度、加速度和慣量不匹配等。

　　利用軟件，設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括導(dǎo)螺桿、同步皮帶、減速箱等諸如此類的部件。一旦模型化，軟件就可以為給定機(jī)械裝置布局，推薦最優(yōu)的電機(jī)。軟件可以根據(jù)客戶的應(yīng)用規(guī)格書來計(jì)算力矩、速度和慣量需求；處理來自數(shù)據(jù)庫的電機(jī)數(shù)據(jù)；創(chuàng)建滿足需求的清單。軟件提供最優(yōu)的電機(jī)，供客戶從清單中進(jìn)行選擇。

　　內(nèi)部或外部控制？

　　大多數(shù)伺服系統(tǒng)能夠接收來自于外部控制器的傳統(tǒng)運(yùn)動指令，比如可編程邏輯控制器（PLC）和可編程自動控制器（PAC），而且某些驅(qū)動裝置也具有提供內(nèi)部運(yùn)動控制的能力。利用伺服驅(qū)動和內(nèi)部的“索引器”，最多可以預(yù)先配置8個索引運(yùn)動，并安裝到驅(qū)動器中，然后就可以通過來自PLC或PAC的開關(guān)量輸入進(jìn)行選擇和執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動。

　　利用串口協(xié)議，從外部控制器就可以發(fā)送指令，啟動甚至是改變這些預(yù)定義索引文件。運(yùn)動指令可以是增量或者是絕對值，加速度可以是線性或S型曲線。很多應(yīng)用都從調(diào)整加速度或者選擇S型曲線的運(yùn)動模式中獲益，因?yàn)檫@可以降低在運(yùn)動過程中的位置過調(diào)。

　　有很多種方式可以實(shí)現(xiàn)從外部控制器來控制伺服驅(qū)動裝置。RS485/RS422 和Modbus串口通信是非常典型的、用于將運(yùn)動指令傳遞給驅(qū)動器的通訊協(xié)議。指令在驅(qū)動器內(nèi)執(zhí)行并完成閉環(huán)控制。驅(qū)動器還可以由高速脈沖和方向信號來控制，或者由與速度或力矩成比例的模擬量電壓來控制。驅(qū)動和伺服電機(jī)也能跟隨外部的解碼器信號指令動作。

　　以上每種方式都會影響伺服系統(tǒng)的精度。教科書上所教的模擬量電壓信號也許沒有新式數(shù)字控制方式，比如內(nèi)部控制或外部脈沖和方向信號更精確。系統(tǒng)的分辨率可以通過數(shù)字驅(qū)動指令方案來進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行檢查以確保能夠滿足系統(tǒng)整體精度的需求。

　　當(dāng)使用外部運(yùn)動控制器作為主控制器時，多個驅(qū)動裝置可以通過驅(qū)動器的串口，以菊花鏈形式連接和尋址。這就可以為不需精確路徑控制的多軸過程提供非常簡單而又強(qiáng)大的控制功能，僅需準(zhǔn)確的開始和停止點(diǎn)（圖3）。

　　圖3 對于連續(xù)運(yùn)動的組合裝置，這個三軸系統(tǒng)的伺服和驅(qū)動裝置可以提供精確的協(xié)調(diào)運(yùn)動。選擇伺服系統(tǒng)及其配套減速箱的在線工具包括AutomationDirect公司的SureGear在線選型器。

　　伺服系統(tǒng)編程

　　無論是外部運(yùn)動控制器還是內(nèi)部控制器驅(qū)動，運(yùn)動控制軟件及其特性和功能對于整個系統(tǒng)的精度影響很大。對于具有板載索引器和自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式的驅(qū)動器來講，必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，正如外部運(yùn)動控制器也需要適當(dāng)?shù)呐渲靡粯印?/p>

　　當(dāng)需要高動態(tài)響應(yīng)時，應(yīng)該對伺服系統(tǒng)進(jìn)行精心調(diào)節(jié)，一般需要和負(fù)載連接。無論是使用自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟件或者是編程人員手動調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)快速移動，最大程度的降低海綿狀運(yùn)動，同時可以降低過調(diào)或移動結(jié)束后的振動。

　　驅(qū)動配置軟件可以提供驅(qū)動參數(shù)的配置、自動調(diào)節(jié)算法和工具，可以幫助大多數(shù)應(yīng)用尋找最優(yōu)設(shè)置。

　　一旦驅(qū)動器配置并調(diào)節(jié)完成，就可以編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡。S型-曲線加速度圖，相較于不規(guī)則四邊形（線性）位移，可以提供更好的定位精度，更小超調(diào)量，在具有邊界調(diào)節(jié)的伺服系統(tǒng)中更是如此。這些標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動模式的能力可以改進(jìn)精度，減少系統(tǒng)沖擊和振動。

　　某些時候，執(zhí)行器的控制序列會影響精度。比如，在降低反沖以及相關(guān)的定位錯誤時常用的一個方法就是從公共方向到達(dá)多個目的位置。在需要逆向移動的場合，有些設(shè)計(jì)人員將其設(shè)計(jì)成：負(fù)載移動到目的位置后，并不停止，然后調(diào)轉(zhuǎn)方向，從公共位置移動到期望的位置。

　　選擇恰當(dāng)?shù)乃欧到y(tǒng)、減速箱和驅(qū)動器組合，有助于應(yīng)對各種各樣的精密自動化挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛