伺服電機(jī)的調(diào)試方法及伺服電機(jī)的選用選型

　　伺服電動(dòng)機(jī)又叫執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，或叫控制電動(dòng)機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)執(zhí)行元件，它的作用是把信號(hào)（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/電機(jī)">電機(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。其容量一般在0.1-100W，常用的是30W以下。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分。

　　伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。伺服電動(dòng)機(jī)在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。

　　伺服電機(jī)的調(diào)試方法

　　1、初始化參數(shù)

　　在接線之前，先初始化參數(shù)。

　　在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時(shí)默認(rèn)使能信號(hào)關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確?？刂瓶ㄔ俅紊想姇r(shí)即為此狀態(tài)。

　　在伺服電機(jī)上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號(hào)輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，建議使伺服工作中的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)9V的控制電壓。比如，山洋是設(shè)置1V電壓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準(zhǔn)備讓電機(jī)在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個(gè)參數(shù)設(shè)置為111。

　　2、接線

　　將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號(hào)線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號(hào)線、伺服輸出的編碼器信號(hào)線。復(fù)查接線沒(méi)有錯(cuò)誤后，電機(jī)和控制卡（以及PC）上電。此時(shí)電機(jī)應(yīng)該不動(dòng)，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不是這樣，檢查使能信號(hào)的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，檢查控制卡是否可以正確檢測(cè)到電機(jī)位置的變化，否則檢查編碼器信號(hào)的接線和設(shè)置

　　3、試方向

　　對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號(hào)的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過(guò)控制卡打開(kāi)伺服的使能信號(hào)。這是伺服應(yīng)該以一個(gè)較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是傳說(shuō)中的“零漂”。一般控制卡上都會(huì)有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個(gè)指令或參數(shù)，看電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過(guò)這個(gè)指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認(rèn)給出正數(shù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)增加；給出負(fù)數(shù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)減小。如果電機(jī)帶有負(fù)載，行程有限，不要采用這種方式。測(cè)試不要給過(guò)大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機(jī)上的參數(shù)，使其一致。

　　4、抑制零漂

　　在閉環(huán)控制過(guò)程中，零漂的存在會(huì)對(duì)控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細(xì)調(diào)整，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機(jī)性，所以，不必要求電機(jī)轉(zhuǎn)速絕對(duì)為零。

　　5、建立閉環(huán)控制

　　再次通過(guò)控制卡將伺服使能信號(hào)放開(kāi)，在控制卡上輸入一個(gè)較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺(jué)了，如果實(shí)在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號(hào)打開(kāi)。這時(shí)，電機(jī)應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運(yùn)動(dòng)指令大致做出動(dòng)作了。

　　6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)

　　細(xì)調(diào)控制參數(shù)，確保電機(jī)按照控制卡的指令運(yùn)動(dòng)，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗(yàn)，這里只能從略了。

　　伺服電機(jī)的選擇

　　1、傳統(tǒng)的選擇方法

　　這里只考慮電機(jī)的動(dòng)力問(wèn)題，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)用速度v（t），加速度a（t）和所需外力F（t）表示，它們均可以表示為時(shí)間的函數(shù)，與其他因素?zé)o關(guān)。很顯然，電機(jī)的最大功率P電機(jī)，最大應(yīng)大于工作負(fù)載所需的峰值功率P峰值，但僅僅如此是不夠的，物理意義上的功率包含扭矩和速度兩部分，但在實(shí)際的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中它們是受限制的。

　　用T峰值表示最大值或者峰值。電機(jī)的最大速度決定了減速器減速比的上限，n上限= 峰值，最大/ 峰值，同樣，電機(jī)的最大扭矩決定了減速比的下限，n下限=T峰值/T電機(jī)，最大，如果n下限大于n上限，選擇的電機(jī)是不合適的。反之，則可以通過(guò)對(duì)每種電機(jī)的廣泛類(lèi)比來(lái)確定上下限之間可行的傳動(dòng)比范圍。只用峰值功率作為選擇電機(jī)的原則是不充分的，而且傳動(dòng)比的準(zhǔn)確計(jì)算非常繁瑣。

　　2、新的選擇方法

　　一種新的選擇原則是將電機(jī)特性與負(fù)載特性分離開(kāi)，并用圖解的形式表示，這種表示方法使得驅(qū)動(dòng)裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便，另外，還提供了傳動(dòng)比的一個(gè)可能范圍。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)：適用于各種負(fù)載情況；將負(fù)載和電機(jī)的特性分離開(kāi)；有關(guān)動(dòng)力的各個(gè)參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機(jī)。因此，不再需要用大量的類(lèi)比來(lái)檢查電機(jī)是否能夠驅(qū)動(dòng)某個(gè)特定的負(fù)載在電機(jī)和負(fù)載之間的傳動(dòng)比會(huì)改變電機(jī)提供的動(dòng)力荷載參數(shù)。

　　較更方便，另外，還提供了傳動(dòng)比的一個(gè)可能范圍。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)：適用于各種負(fù)載情況；將負(fù)載和電機(jī)的特性分離開(kāi)；有關(guān)動(dòng)力的各個(gè)參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機(jī)。因此，不再需要用大量的類(lèi)比來(lái)檢查電機(jī)是否能夠驅(qū)動(dòng)某個(gè)特定的負(fù)載在電機(jī)和負(fù)載之間的傳動(dòng)比會(huì)改變電機(jī)提供的動(dòng)力荷載參數(shù)。

　　以下將介紹一些伺服電機(jī)系統(tǒng)，涉及永磁同步電機(jī)以及感應(yīng)異步電機(jī)。

　　一個(gè)伺服系統(tǒng)，不單單是一個(gè)電機(jī)。它是一個(gè)閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包含了控制器、驅(qū)動(dòng)器、電儀和反饋裝置，通常一個(gè)還配有一個(gè)光學(xué)或磁編碼器。

　　伺服系統(tǒng)能在采用永磁（permanent magnets ，PM）技術(shù)后同步機(jī)械，配以有刷或無(wú)刷PM電機(jī)，或在一個(gè)AC感應(yīng)電機(jī)上建立異步機(jī)械系統(tǒng)。

　　永磁同步電機(jī) 有較高的峰值，以及持續(xù)的扭矩，適用于精確位移系統(tǒng)的高加速度和快速減速中的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)。扭矩與輸入電流直接呈比例關(guān)系。電機(jī)軸速與輸入的電壓相關(guān)。輸入電壓越高，電機(jī)的速度就越高。扭矩和速度的比的曲線呈線性的。

　　永磁結(jié)構(gòu)與電機(jī)氣隙相關(guān)。如，無(wú)刷PM電機(jī)的結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)交互的磁結(jié)構(gòu)，移動(dòng)的轉(zhuǎn)子（連接著永磁）和定子線圈產(chǎn)生電磁反應(yīng)，從而出現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度。

　　三相定子場(chǎng)能順序產(chǎn)生能量，且PM轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)子場(chǎng)一起完成同步運(yùn)動(dòng)。一個(gè)特定的電子補(bǔ)償系統(tǒng)，用于檢查轉(zhuǎn)子位置，并為定子線圈加能量。無(wú)刷PM電機(jī)，在所有其他的電機(jī)中成為精確位移系統(tǒng)的首選，除了汽車(chē)應(yīng)用以及超大電機(jī)系統(tǒng)中。無(wú)刷PM電機(jī)是僅有的伺服電機(jī)系統(tǒng)，能用于閉環(huán)扭矩、速度或位移系統(tǒng)。

　　不同的轉(zhuǎn)子

　　AC感應(yīng)電機(jī)擁有PM無(wú)刷電機(jī)同樣的物理特性

　　的定子，但它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全不同。鼠籠結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電機(jī)包含一系列的感應(yīng)鋁或銅條，放置在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，連接在末端線圈。

　　這些短轉(zhuǎn)子條與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)互有電磁耦合感應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)新的轉(zhuǎn)子場(chǎng)，并與定子場(chǎng)相互反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。

　　在同步的定子和較慢的定子場(chǎng)，與實(shí)際的速度之間有差異。這個(gè)速度的差異就是所謂的滑差。輸入的頻率決定了電機(jī)的速度。

　　例如，一個(gè)60 Hz、兩極的AC感應(yīng)電機(jī)，無(wú)負(fù)載時(shí)的速度近3，600 rpm，一個(gè)四極AC電機(jī)運(yùn)行速度低于1，800 rpm，根據(jù)滑差值的不用而有所不同。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)矩時(shí)，滑差增加，速度降低。

　　AC感應(yīng)電機(jī)會(huì)輸出更多的轉(zhuǎn)矩，隨著速度的降低，直至負(fù)載達(dá)到故障點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)速度會(huì)遽降至零。一個(gè)固有的AC電機(jī)性能特點(diǎn)是，起始的轉(zhuǎn)矩較小，必須在電機(jī)起始時(shí)卸去負(fù)載。

　　隨著20世紀(jì)80年底變頻器電子驅(qū)動(dòng)的出現(xiàn)，電機(jī)特有的轉(zhuǎn)矩-速度性能曲線，也發(fā)生了很大的改變。變頻器的性能是，同時(shí)改變電壓和頻率，使用可調(diào)節(jié)或可變化的速度驅(qū)動(dòng)，就能重新構(gòu)建了轉(zhuǎn)矩-速度曲線，AC感應(yīng)電機(jī)是速度系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。

　　如何使用

　　驅(qū)動(dòng)技術(shù)在性能上的持續(xù)提高，將無(wú)刷PM和AC感應(yīng)電機(jī)，也帶入了驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，但是無(wú)刷PM電機(jī)仍然在控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。AC感應(yīng)電機(jī)不適應(yīng)在低速和高速中使用。

　　在伺服位移系統(tǒng)中使用一個(gè)無(wú)刷PM電機(jī)，通常采用50 kW （67 hp）或更高的功率的系統(tǒng)。AC感應(yīng)電機(jī)通常在恒速或變速系統(tǒng)中。混合的方案系統(tǒng)比較少見(jiàn)。其他電機(jī)也能部分實(shí)現(xiàn)，但是在性能上超過(guò)AC感應(yīng)電機(jī)或無(wú)刷PM電機(jī)的方案較少。

　　無(wú)刷PM電機(jī)在速度控制中，對(duì)1 kW （1.37 hp）的DC有刷電機(jī)的速度控制或更小功率的應(yīng)用市場(chǎng)中造成了一定的沖擊。而AC感應(yīng)電機(jī)則掌控了大部分的大于1MW的應(yīng)用。