伺服系統(tǒng)有哪幾種控制模式？自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)選擇伺服電機(jī)的方式,！
步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng),，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中,，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛,。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中,。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì),，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào)),，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
1控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8°、0.9°,，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°,、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分后步距角更小,。如某公司生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°,、0.9°、0.72°,、0.36°,、0.18°、0.09°,、0.072°,、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角,。
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證,。以全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例,，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機(jī)而言,，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°,。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言,，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈,，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655,。
2低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象,。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半,。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利,。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象,，比如在電機(jī)上加阻尼器,，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。
交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象,。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足,，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT),，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整,。
3矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM,。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出,，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩,，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出,。
4過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力,。以某交流伺服系統(tǒng)為例,，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍,，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩,。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩,，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī),，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象,。
5運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制,，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,，所以為保證其控制精度,，應(yīng)處理好升,、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制,，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象,，控制性能更為可靠,。
6速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例,，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合,。
綜上所述,，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī),。所以,，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī),。
自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)的選擇
自動(dòng)化領(lǐng)域指如今的大熱門，而伺服電機(jī)在其中占有重要地位,，通常用于項(xiàng)目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動(dòng),。自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機(jī)選型問題，本文僅根據(jù)編者的實(shí)際工作經(jīng)歷做一些分享,，望能夠給需要者提供一些幫助,。
伺服電機(jī)是自動(dòng)化領(lǐng)域中使用較為廣泛的電機(jī)，通常用于項(xiàng)目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動(dòng),。自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機(jī)選型問題,，而供應(yīng)商提供的電機(jī)也是五花八門，參數(shù)多如牛毛,，常常使初學(xué)者一頭霧水,，本文僅根據(jù)編者的實(shí)際工作經(jīng)歷做一些分享，望能夠給需要者提供一些幫助,。
1.應(yīng)用場(chǎng)景
自動(dòng)化領(lǐng)域的控制型電機(jī)可分為伺服電機(jī),、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)等,。在需要較為精確的速度或位置控制的部件,，會(huì)選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
變頻器+變頻電機(jī)的控制方式,，是通過改變輸入電機(jī)的電源頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法,。一般只用于電機(jī)的調(diào)速控制。
伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比：
a)伺服電機(jī)使用閉環(huán)控制,，步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制,；
b)伺服電機(jī)使用旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)量精度，步進(jìn)電機(jī)使用步距角,。普通產(chǎn)品級(jí)別上前者的精度可達(dá)后者的百倍數(shù)量級(jí),；
c)控制方式相似（脈沖或方向信號(hào)）。
2.供電電源
伺服電機(jī)從供電電源上區(qū)分可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī),。
二者還是比較好選擇的,。一般的自動(dòng)化設(shè)備，甲方都會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)的380V工業(yè)電源或220V電源,，此時(shí)選擇對(duì)應(yīng)電源的伺服電機(jī)即可,，免去電源類型的轉(zhuǎn)換。但有一些設(shè)備,，比如立體倉庫中的穿梭板,、AGV小車等，由于本身的移動(dòng)性質(zhì),，大部分使用自帶直流電源,，所以一般使用直流伺服電機(jī)。
3.抱閘
根據(jù)動(dòng)作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),，考慮在停電狀態(tài)下或靜止?fàn)顟B(tài)下,，是否會(huì)造成對(duì)電機(jī)的反轉(zhuǎn)趨勢(shì)。如果有反轉(zhuǎn)趨勢(shì),，就需要選擇帶抱閘的伺服電機(jī),。
4.選型計(jì)算
選型計(jì)算前，首先要確定的是機(jī)構(gòu)末端的位置和速度要求,，再者確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu),。此時(shí)即可選擇伺服系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的減速器。
選型過程中,，主要考慮以下參數(shù)：
4.1.功率和速度
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和最終負(fù)載的速度和加速度要求,，計(jì)算電機(jī)所需功率和速度。值得注意的是,，通常情況下需要結(jié)合所選電機(jī)的速度選取減速機(jī)的減速比,。
在實(shí)際選型過程中，比如負(fù)載為水平運(yùn)動(dòng),，因?yàn)楦鱾€(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)和風(fēng)載系數(shù)的不確定性,，公式P=T*N/9549往往無法明確計(jì)算（無法精確計(jì)算扭矩的大小）,。而在實(shí)踐過程中,，也發(fā)現(xiàn)使用伺服電機(jī)所需功率最大處往往是加減速階段,。所以，通過T=F*R=m*a*R可定量計(jì)算所需電機(jī)的功率大小和減速機(jī)的減速比（m：負(fù)載質(zhì)量,；a：負(fù)載加速度,；R：負(fù)載旋轉(zhuǎn)半徑）。
有以下幾點(diǎn)需要注意：
a)電機(jī)的功率富余系數(shù),；
b)考慮機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率,；
c)減速機(jī)的輸入和輸出扭矩是否達(dá)標(biāo)，并有一定的安全系數(shù),；
d)后期是否會(huì)有加大速度的可能性,。
值得一提的是，在傳統(tǒng)行業(yè)中,，例如起重機(jī)等行業(yè),，使用普通的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加速度無明確要求,，計(jì)算過程使用的是經(jīng)驗(yàn)公式,。
注：負(fù)載垂直運(yùn)行的情況下，注意把重力加速度計(jì)算在內(nèi),。
4.2.慣量匹配
要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的高精度控制,，需要考慮電機(jī)與系統(tǒng)的慣量是否匹配。
對(duì)于為什么需要慣量匹配的問題,，網(wǎng)上并沒有給出一統(tǒng)江湖的說法,。個(gè)人理解有限，在這里就不解釋了,。有興趣的朋友可以自行考證一下并告知一聲,。慣量匹配的原則為：考慮系統(tǒng)慣量折合到電機(jī)軸上，與電機(jī)的慣量比不大于10,；比值越小,，控制穩(wěn)定性越好，但需要更大的電機(jī),，性價(jià)比更低,。具體的計(jì)算方法如有不明白的請(qǐng)自行補(bǔ)學(xué)大學(xué)"理論力學(xué)"。
4.3.精度要求
計(jì)算經(jīng)過減速機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變化后,，電機(jī)的控制精度是否能夠滿足負(fù)載的要求,。減速器或某些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的回程間隙，都需要考慮,。
4.4.控制匹配
這個(gè)方面主要是與電氣設(shè)計(jì)人員溝通確認(rèn),，比如伺服控制器的通訊方式是否與PLC匹配，編碼器類型及是否需要引出數(shù)據(jù)等。
5.品牌
目前市場(chǎng)上伺服電機(jī)品牌眾多,，性能也是千差萬別,。大體來說，如果不差錢,，就選用歐美的,，稍微差點(diǎn)錢，選日本的,，再次臺(tái)灣和國(guó)產(chǎn)的。不是小編崇洋媚外,，是實(shí)際使用得來的教訓(xùn),。根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)的伺服電機(jī)本體基本性能上沒什么問題,，主要伺服控制器的控制算法,、集成度和和穩(wěn)定性方面有一定的差距。希望國(guó)內(nèi)廠商繼續(xù)努力,，縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距,。
值得一提的是，做自動(dòng)化的設(shè)計(jì),，要學(xué)會(huì)借外力,。特別是做非標(biāo)自動(dòng)化，面臨太多設(shè)備的選型和計(jì)算,，往往不堪重負(fù),，加班累成狗是常態(tài)。現(xiàn)在伺服電機(jī)廠商都會(huì)提供技術(shù)支持,，只要你提供給他負(fù)載,、速度、加速度等參數(shù)要求,，他們有一套自己的軟件自動(dòng)幫助你計(jì)算并選擇合適的伺服電機(jī),，非常的方便。
