伺服控制中精确运动控制的8个关键因素

 

 

　　在对精度有要求的运动控制应用中，有很多伺服电机和设备执行器都可以满足其要求，但是完整控制系统的选型、设计和集成对于运动控制的可重复性和精度十分关键。尽管相对于有竞争关系的技术而言，伺服电机有很多优点，但是在应用时还必须考虑一系列的因素。

　　高精度伺服系统运动控制的典型应用包括：印刷设备、旋转填料机、取放型机器人、实验或组装操作、钻孔、切削、攻丝以及其它在单轴或多轴运动中使用的简单索引移动控制等类似应用。

　　伺服系统一般用于控制负载。对于伺服来讲，为了完成系统所需的负载控制功能，必须选取合适的型号。为了保证整个系统能够按照设计要求工作，伺服系统必须提供所需的力矩、速度、精度。

　　负载类型、机械传动方式、系统工作周期（启动和停机的频率）、运行期间系统所需的速度、系统所需的精度，都是在进行系统选型时应该考虑的因素。

　　伺服控制的优势

　　对于要求精准控制运动的应用，有很多方案可供选择，包括带变频驱动的直流电机和交流电机、步进电机和伺服电机。

　　图1 这种伺服电机和驱动装置可以为一系列广泛的运动控制引用提供精确的定位。利用伺服驱动和内部的“索引器”，最多可以预先配置8个索引运动，并安装到驱动器中，然后就可以通过来自PLC或PAC的开关量输入进行选择和执行相应的运动。本文所有图片来源：AutomationDirect

　　从定位、速度，和力矩控制精度方面来讲，伺服系统提供了可能是最高水平的性能。相较于低成本的步进电机系统，伺服系统在更高的转速下（最高可达5，000转/分钟）仍可以提供更大的力矩。步进电机，最大力矩发生在零转速时，而伺服电机的最大力矩发生在更高的转速。用于设备控制的典型伺服系统，所能提供的功率范围也比步进电机更大，可达3千瓦或更多。

　　也许，步进电机和伺服电机之间最显著的不同在于：伺服电机利用闭环控制改进了定位精度。尽管某些步进电机装置也具有闭环控制功能，但是能够实现精确和高速的运动控制，并且没有诸如电机停止以及定位错误等问题，仍然是伺服电机的普遍优势。闭环位置控制、更高的力矩和更高的速度，使得伺服电机在高精度应用场合具有更大的优势。

　　相较于具有变频驱动的直流电机和交流电机，伺服电机在转速、高峰值力矩和加速度方面具有非常明显的优势。伺服电机可以将转速精确的控制在5，000转/分钟或更高。其闭环定位能力也远远的超过变频电机和驱动设备的典型定位功能。伺服系统还能运行在纯力矩模式下，这时系统提供特定的力矩而不需考虑定位或转速。这是各种绕线操作的一般需求。

　　精确运动控制的8个关键因素

　　升级换代现有伺服系统时，功率大小一般不变，即使电机的物理大小并不一致。当为新应用选择伺服系统时，可以利用选型软件来帮助选择，包括利用数学公式来确定负载的惯量、关键参数等。相关组件需要经过选择、设计、安装和测试，从而设计出一套伺服系统。

　　精确运动控制的8个关键组件：　　1.伺服电机　　2.编码器反馈　　3.电机驱动　　4.变速箱　　5.执行器　　6.运动控制器　　7.驱动器通讯硬件　　8.控制和调节软件

　　在设计中，伺服电机、编码器反馈以及伺服驱动器（有时候被称为放大器），必须将其设计成按照一个整体协同工作，使之与电机和负载匹配。

　　必须慎重考虑执行器的类型和材料选择。在某些应用场合，例如，在精确运动应用中，铝制握柄传动器就有些过于柔软，因此应当考虑刚性更大的材料或增加支撑结构。

　　对于高性能系统，负载的反射惯量，包括任何变速箱和执行器的惯量，应当尽可能的保持在较低水平（理想情况下需要与电机惯量保持在1:1的水平），但是，一般情况下，在惯量失配比高达5：1甚至是10:1的时候，其运行性能仍然可以接受。

　　选择好合适的伺服系统和执行器，就可以确定用于调试和控制的运动控制器和相关软件了。不管是单轴运动还是多轴运动系统，对于运动性能的要求，比如最大速度、加速度变化率（加速度的变化）、总行程、负加速度等必须加以审慎考虑，以便取得应用项目的成功。

　　变速箱和执行器的选择

　　如果需要齿轮减速，相较于大多数其它齿轮减速装置来讲，精密行星式齿轮减速箱可以提供更好的精度和可重复性，并且它具有较高的效率，可以从伺服系统获得最大的功率。变速箱可以降低负载的反射惯量，数值等于传动比的平方。

　　如果某个应用需要在高速状态下实现减速，则减速箱是一个很好的选择，它可以改进系统的整体性能。在某些应用场合，利用减速箱可以倍增系统可用力矩的数量，从而可以使用较小的电机和驱动装置，从而节省大量成本。

　　但是减速箱会将自身的反射惯量叠加到系统上，从而会引入一些反冲。大多数精密减速箱的反冲都比较小，但是设计人员需要意识到这个问题，并对由此所产生的定位错误采取适当措施。

　　当与行星式减速箱配合使用时，伺服系统可以与各种类型的执行器连接，提供精确的位置控制，但有一个前提条件：所有这些设备都必须是精心选择，并且相互匹配的。尽管可以从不同的供应商那里分别购买伺服驱动装置、伺服电机以及行星式减速箱，但是并不推荐这样做，因为这需要大量的调研、设计和分析，以确保所有的设备都是配套的。

　　图2 在很多需要高精度定位或高力矩应用场合，行星式减速器和伺服电机配合工作良好。

　　从同一个供应商处采购所有设备，尤其是那些经过仔细匹配的设备，具有多重优点。供应商已经完成了所有的研究工作，可以为用户确保兼容性。大多数供应商还可为这种采购提供更优惠的质保，供应商还可提供连接这些设备所需的、经认证的硬件和电缆。

　　在线选型工具

　　某些供应商提供了在线选型工具，可以用于选择伺服系统以及配套的减速箱，减少设计工作。在线选择指导对设计提供帮助，还能为某些紧密连接、相互配套、可以作为一个系统来采购的设备提供某些建议。

　　一般情况下，选择工具会要求设计人员输入转速和力矩，接着就自动提供一系列可供选择的电机-减速箱组合。工程师可以输入以公制或英制力矩数据，或者设计人员可以选择特定的伺服电机型号。设计人员输入单个数据或者选择一个传动比。最后，工程师就可以选择合适的物理结构形式：直线或者直角齿轮，或者是两者都有。

　　系统清单包括价格信息，很多情况下对于选择过程来讲，价格是一个关键因素。选择完电机/减速箱组合后，设计人员就可以审查所选伺服系统、减速箱以及两者组合体的完整规格书了。

　　更先进的选择工具，可以为伺服电机的选择提供帮助。有些应用程序可以帮助设计人员为某个特定工程选择最优电机。软件能够计算所需的转速和力矩，并且验证系统的其它需求，比如顶端速度、加速度和惯量不匹配等。

　　利用软件，设计工程师能够对机械系统进行建模，包括导螺杆、同步皮带、减速箱等诸如此类的部件。一旦模型化，软件就可以为给定机械装置布局，推荐最优的电机。软件可以根据客户的应用规格书来计算力矩、速度和惯量需求；处理来自数据库的电机数据；创建满足需求的清单。软件提供最优的电机，供客户从清单中进行选择。

　　内部或外部控制？

　　大多数伺服系统能够接收来自于外部控制器的传统运动指令，比如可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动控制器（PAC），而且某些驱动装置也具有提供内部运动控制的能力。利用伺服驱动和内部的“索引器”，最多可以预先配置8个索引运动，并安装到驱动器中，然后就可以通过来自PLC或PAC的开关量输入进行选择和执行相应的运动。

　　利用串口协议，从外部控制器就可以发送指令，启动甚至是改变这些预定义索引文件。运动指令可以是增量或者是绝对值，加速度可以是线性或S型曲线。很多应用都从调整加速度或者选择S型曲线的运动模式中获益，因为这可以降低在运动过程中的位置过调。

　　有很多种方式可以实现从外部控制器来控制伺服驱动装置。RS485/RS422 和Modbus串口通信是非常典型的、用于将运动指令传递给驱动器的通讯协议。指令在驱动器内执行并完成闭环控制。驱动器还可以由高速脉冲和方向信号来控制，或者由与速度或力矩成比例的模拟量电压来控制。驱动和伺服电机也能跟随外部的解码器信号指令动作。

　　以上每种方式都会影响伺服系统的精度。教科书上所教的模拟量电压信号也许没有新式数字控制方式，比如内部控制或外部脉冲和方向信号更精确。系统的分辨率可以通过数字驱动指令方案来进行计算，应当对其进行检查以确保能够满足系统整体精度的需求。

　　当使用外部运动控制器作为主控制器时，多个驱动装置可以通过驱动器的串口，以菊花链形式连接和寻址。这就可以为不需精确路径控制的多轴过程提供非常简单而又强大的控制功能，仅需准确的开始和停止点（图3）。

　　图3 对于连续运动的组合装置，这个三轴系统的伺服和驱动装置可以提供精确的协调运动。选择伺服系统及其配套减速箱的在线工具包括AutomationDirect公司的SureGear在线选型器。

　　伺服系统编程

　　无论是外部运动控制器还是内部控制器驱动，运动控制软件及其特性和功能对于整个系统的精度影响很大。对于具有板载索引器和自适应调节模式的驱动器来讲，必须对其进行适当的配置，正如外部运动控制器也需要适当的配置一样。

　　当需要高动态响应时，应该对伺服系统进行精心调节，一般需要和负载连接。无论是使用自适应调节软件或者是编程人员手动调节，精准的调节都可以实现快速移动，最大程度的降低海绵状运动，同时可以降低过调或移动结束后的振动。

　　驱动配置软件可以提供驱动参数的配置、自动调节算法和工具，可以帮助大多数应用寻找最优设置。

　　一旦驱动器配置并调节完成，就可以编程实现运动轨迹。S型-曲线加速度图，相较于不规则四边形（线性）位移，可以提供更好的定位精度，更小超调量，在具有边界调节的伺服系统中更是如此。这些标准运动模式的能力可以改进精度，减少系统冲击和振动。

　　某些时候，执行器的控制序列会影响精度。比如，在降低反冲以及相关的定位错误时常用的一个方法就是从公共方向到达多个目的位置。在需要逆向移动的场合，有些设计人员将其设计成：负载移动到目的位置后，并不停止，然后调转方向，从公共位置移动到期望的位置。

　　选择恰当的伺服系统、减速箱和驱动器组合，有助于应对各种各样的精密自动化挑战。

编辑：黄飞