在對精度有要求的運動控制應(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)計和集成對于運動控制的可重復(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，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、實驗或組裝操作、鉆孔、切削、攻絲以及其它在單軸或多軸運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、安裝和測試，從而設(shè)計出一套伺服系統(tǒng)。

　　精確運動控制的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)試和控制的運動控制器和相關(guān)軟件了。不管是單軸運動還是多軸運動系統(tǒng)，對于運動性能的要求，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，因為這需要大量的調(diào)研、設(shè)計和分析，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。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)計工作。在線選擇指導(dǎo)對設(shè)計提供幫助，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數(shù)據(jù)，或者設(shè)計人員可以選擇特定的伺服電機(jī)型號。設(shè)計人員輸入單個數(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)計人員為某個特定工程選擇最優(yōu)電機(jī)。軟件能夠計算所需的轉(zhuǎn)速和力矩，并且驗證系統(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型曲線的運動模式中獲益，因為這可以降低在運動過程中的位置過調(diào)。

　　有很多種方式可以實現(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（圖3）。

　　圖3 對于連續(xù)運動的組合裝置，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

　　無論是外部運動控制器還是內(nèi)部控制器驅(qū)動，運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)呐渲茫缤獠窟\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)都可以實現(xiàn)快速移動，最大程度的降低海綿狀運動，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，就可以編程實現(xiàn)運動軌跡。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)計人員將其設(shè)計成：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