伺服電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位？如何理解它的閉環(huán)特性？

伺服電機(jī)是一種可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移，角度變化的高精度執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)的位移量是靠脈沖信號(hào)控制的，每給伺服電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)都輸出一定的位移。你需要伺服電機(jī)定量的位移，只需要給定相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)即可。

伺服電機(jī)是靠脈沖實(shí)現(xiàn)定位的，嚴(yán)格來(lái)講這個(gè)叫位置環(huán)控制，就是上位機(jī)給多少脈沖伺服電機(jī)，伺服就走多少角度，比如一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)2500個(gè)脈沖，這是常見(jiàn)的。

伺服電機(jī)主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。伺服電機(jī)在要求精密控制的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，他的閉環(huán)控制功能，是步進(jìn)電機(jī)無(wú)法比擬的。在一些場(chǎng)合，由于步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有反饋，因此當(dāng)步進(jìn)電機(jī)卡死或打滑會(huì)出現(xiàn)丟步的情況，從而大大影響設(shè)備使用精度，因此步進(jìn)電機(jī)一般用于純粹的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，或者用于對(duì)精度要求不高的使用場(chǎng)合。

伺服電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位？如何理解它的閉環(huán)特性？今天我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)。

首選我們看下交流伺服系列的組成。由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成。這里我們主要講述伺服驅(qū)動(dòng)的工作原理，電機(jī)只是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下，和變頻器的主電路類似，電源經(jīng)過(guò)整流，逆變，實(shí)現(xiàn)從AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換。

伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

輸入信號(hào)/命令可以是位置、速度、扭矩等控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)的三種控制模式，每種控制模式都對(duì)應(yīng)著環(huán)的控制，扭矩控制是電流閉環(huán)控制，速度模式是速度閉環(huán)控制，位置模式則是三閉環(huán)控制模式（扭矩、速度、位置）。下面我們對(duì)位置模式的三閉環(huán)進(jìn)行分析：

位置模式的三閉環(huán)控制

上圖中M表示伺服電機(jī)，PG代表編碼器，最外面的藍(lán)色的代表位置環(huán)，因?yàn)槲覀冏罱K控制的是位置（定位），內(nèi)環(huán)分別是速度環(huán)和電流環(huán)（扭矩環(huán)），位置模式下速度環(huán)和電流環(huán)作為保護(hù)環(huán)防止失速控制和過(guò)載以確保電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)和電機(jī)電流恒定。我們重點(diǎn)看下位置環(huán)是如何確保電機(jī)能夠準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)給定的角度。

假如我們給定脈沖為1個(gè)，此時(shí)反饋脈沖為，脈沖偏差△p=1，輸入到控制器中，這時(shí)候驅(qū)動(dòng)電路控制IPM逆變器產(chǎn)生SPWM波驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，注意這個(gè)SPWM波和我們發(fā)脈沖的方波是不一樣的，時(shí)電機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)發(fā)出反饋脈沖，這個(gè)時(shí)候△p=0，電機(jī)停止輸出，1個(gè)脈沖定位完成。整個(gè)從發(fā)出脈沖到接受反饋脈沖的過(guò)程就是一個(gè)閉環(huán)過(guò)程，從而確保電機(jī)能夠準(zhǔn)確定位，脈沖的數(shù)量決定定位的距離，脈沖的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

服電機(jī)有三種控制模式：速度控制，位置控制，轉(zhuǎn)矩控制{由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的Pr02參數(shù)與32（C-MODE）端子狀態(tài)選擇}，簡(jiǎn)要介紹位置模式的控制方法。?

一、按照伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器說(shuō)明書(shū)上的‘位置控制模式控制信號(hào)接線圖’連接導(dǎo)線?

3（PULS1），4（PULS2）為脈沖信號(hào)端子，PULS1連接直流電源正極（24V電源需串連2K左右的電阻），PULS2連接控制器（如PLC的輸出端子）。?

5（SIGN1），6（SIGN2）為控制方向信號(hào)端子，SIGN1連接直流電源正極（24V電源需串連2K左右的電阻），SIGN2連接控制器（如PLC的輸出端子）。當(dāng)此端子接收信號(hào)變化時(shí)，伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向改變。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)方向由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的P41，P42這兩個(gè)參數(shù)控制。?????7（com+）與外接24V直流電源的正極相連。?

29（SRV-0N），伺服使能信號(hào)，此端子與外接24V直流電源的負(fù)極相連，則伺服電機(jī)進(jìn)入使能狀態(tài)，通俗地講就是伺服電機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)備好，接收脈沖即可以運(yùn)轉(zhuǎn)。?

上面所述的六根線連接完畢（電源、編碼器、電機(jī)線當(dāng)然不能忘），伺服電機(jī)即可根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖與方向信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)。其他的信號(hào)端子，如伺服報(bào)警、偏差計(jì)數(shù)清零、定位完成等可根據(jù)您的要求接入控制器。

二、設(shè)置伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)?

1、Pr02－－－－控制模式選擇，設(shè)定Pr02參數(shù)為0或是3或是4。3與4的區(qū)別在于當(dāng)32（C-MODE）端子為短路時(shí)，控制模式相應(yīng)變?yōu)樗俣饶Ｊ交蚴寝D(zhuǎn)矩模式，而設(shè)為0，則只為位置控制模式。如果您只要求位置控制的話，Pr02設(shè)定為0或是3或是4是一樣的。?

2、Pr10，Pr11，Pr12－－－－增益與積分調(diào)整，在運(yùn)行中根據(jù)伺服電機(jī)的運(yùn)行情況相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)然其他的參數(shù)也需要調(diào)整（Pr13，Pr14，Pr15，Pr16，Pr20也是很重要的參數(shù)），在您不太熟悉前只調(diào)整這三個(gè)參數(shù)也可以滿足基本的要求。??

3、Pr40－－－－指令脈沖輸入選擇，默認(rèn)為光耦輸入（設(shè)為0）即可。也就是選擇3（PULS1），4（PULS2），5（SIGN1），6（SIGN2）這四個(gè)端子輸入脈沖與方向信號(hào)。???

4、Pr41，Pr42－－－－簡(jiǎn)單地說(shuō)就是控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。Pr41設(shè)為0時(shí)，Pr42設(shè)為3，則5（SIGN1），6（SIGN2）導(dǎo)通時(shí)為正方向（CCW），反之為反方向（CW）。Pr41設(shè)為1時(shí)，Pr42設(shè)為3，則5（SIGN1），6（SIGN2）斷開(kāi)時(shí)為正方向（CCW），反之為反方向（CW）。（正、反方向是相對(duì)的，看您如何定義了，正確的說(shuō)法應(yīng)該為CCW，CW）。??

5、Pr46，Pr4A，Pr4B－－－－電子齒輪比設(shè)定。此為重要參數(shù)，其作用就是控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與控制器發(fā)送一個(gè)脈沖時(shí)電機(jī)的行走長(zhǎng)度。????????

其公式為：?

伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)=編碼器分辨率×?Pr4B／（Pr46?×?2^Pr4A）??

伺服電機(jī)所配編碼器如果為：2500p/r?5線制增量式編碼器，則編碼器分辨率為10000p/r??

如您連接伺服電機(jī)軸的絲桿間距為20mm，您要做到控制器發(fā)送一個(gè)脈沖伺服電機(jī)行走長(zhǎng)度為一個(gè)絲（0.01mm）。計(jì)算得知：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要2000個(gè)脈沖。（每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖確定了，脈沖頻率與伺服電機(jī)的速度的關(guān)系也就確定了）??

三個(gè)參數(shù)可以設(shè)定為：Pr4A=0，Pr46=10000，Pr4B=2000，約分一下則為：Pr4A=0，Pr46=100，Pr4B=20。?????

從上面的敘述可知：設(shè)定Pr46，Pr4A，Pr4B這三個(gè)參數(shù)是根據(jù)我們控制器所能發(fā)送的最大脈沖頻率與工藝所要求的精度。在控制器的最大發(fā)送脈沖頻率確定后，工藝精度要求越高，則伺服電機(jī)能達(dá)到的最大速度越低。?

做好上面的工作，編制好PLC程序，我們就可以控制伺服運(yùn)轉(zhuǎn)了。