伺服驅(qū)動(dòng)器需要什么樣的脈沖?

伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器(servo drives)又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用 。

在伺服驅(qū)動(dòng)器速度閉環(huán)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動(dòng)靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應(yīng)的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1)測速周期內(nèi)必須檢測到至少一個(gè)完整的碼盤脈沖，限制了最低可測轉(zhuǎn)速;2)用于測速的2個(gè)控制系統(tǒng)定時(shí)器開關(guān)難以嚴(yán)格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應(yīng)用該測速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)方案難以提高伺服驅(qū)動(dòng)器速度跟隨與控制性能 。

工作原理

目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心，

可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元(AC-DC)主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

基本要求

伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

1、調(diào)速范圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應(yīng)，無超調(diào)

為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。

5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng)

一般來說，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

對電機(jī)的要求

1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。

2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。

3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)器需要什么樣的脈沖?

正反脈沖控制(CW+CCW);脈沖加方向控制(pulse+direction);AB相輸入(相位差控制，常見于手輪控制)

伺服驅(qū)動(dòng)器主程序主要用來完成系統(tǒng)的初始化、LO接口控制信號、DSP內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等。

伺服驅(qū)動(dòng)器所有的初始化工作完成后，主程序才進(jìn)入等待狀態(tài)，以及等待中斷的發(fā)生，以便電流環(huán)與速度環(huán)的調(diào)節(jié)。

中斷服務(wù)程序主要包括四M定時(shí)中斷程序光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序、通信中斷程序。

伺服驅(qū)動(dòng)器重要參數(shù)的設(shè)置方法和技巧

隨著市場的發(fā)展和國內(nèi)功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制原理等技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電動(dòng)機(jī)這兩年有了較大的

發(fā)展，在某些應(yīng)用領(lǐng)域打破了國外的壟斷局面。筆者因多年從事數(shù)控技術(shù)工作，使用了多套日本安川、松下、三洋等數(shù)字伺服，但最近因國產(chǎn)伺服性價(jià)比好，使

用了一些數(shù)控技術(shù)公司生產(chǎn)的交流伺服驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)，對使用中某些方面總結(jié)了一些簡單實(shí)用的技巧。

1　KNDSD100基本性能

1.1　基本功能

SD100采用國際上先進(jìn)的數(shù)字信號處理器(DSP)TM320(S240)、大規(guī)?？删幊涕T陣列(FPGA)、日本三菱的新一代智能化功率模塊(1PM)，集成度高，體積小，具有超速、過流、過載、主電源過壓欠壓、編碼器異常和位置超差等保護(hù)功能。

與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，交流伺服電動(dòng)機(jī)無失步現(xiàn)象。伺服電動(dòng)機(jī)自帶編碼器，位置信號反饋至伺服驅(qū)動(dòng)器，與開環(huán)位置控制器一起構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。調(diào)速比寬 1：5000，轉(zhuǎn)矩恒定，1 r和2000r的扭矩基本一樣，從低速到高速都具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩特性和很快的響應(yīng)特性。采用全數(shù)字控制，控制簡單靈活。用戶通過參數(shù)修改可以對伺服的工作方式、運(yùn)行特性作出適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。目前價(jià)格僅比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高2000～3000元。

1.2 參數(shù)調(diào)整

SD100為用戶提供了豐富的用戶參數(shù)0～59個(gè)，報(bào)警參數(shù)1～32個(gè)，監(jiān)視方式(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，位置偏差等)22個(gè)。用戶可以根據(jù)不同的現(xiàn)場情況調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到最佳控制效果。幾種常用的參數(shù)的含義是：

(1)“0”號為密碼參數(shù)，出廠值315，用戶改變型號必須將此密碼改為385。

(2)“1”號為型號代碼，對應(yīng)同系列不同功率級別的驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)。

(3)“4”號為控制方式選擇，改變此參數(shù)可設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的控制方式。其中，“0”為位置控制方式;“1”為速度控制方式;“2”為試運(yùn)行控制方式;“3”為JOG控制方式;“4”為編碼器調(diào)零方式;“5”為開環(huán)控制方式(用戶測試電壓及編碼器);“6”為轉(zhuǎn)矩控制方式。

(4)“5”號為速度比例增益，出廠值為150。此設(shè)置值越大，增益越高，剛度越高。參數(shù)設(shè)置根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)型號和負(fù)載情況設(shè)定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。在系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩情況下，應(yīng)盡量設(shè)定較大些。

(5)“6”號為速度積分時(shí)間常數(shù)，出廠值為20。此設(shè)定值越小，積分速度越快，太小容易產(chǎn)生超調(diào)，太大使響應(yīng)變慢。參數(shù)設(shè)置根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)型號和負(fù)載確定。一般情況下，負(fù)載慣量越大，設(shè)定值越大。

(6)“40”、“4l”號為加減速時(shí)間常數(shù)，出廠設(shè)定為0。此設(shè)定值表示電動(dòng)機(jī)以0～100r/min轉(zhuǎn)速所需的加速時(shí)間或減速時(shí)間。加減速特性呈線性。

(7)“9”號為位置比例增益，出廠沒定為40。此設(shè)置值越大，增益越高，剛度越高，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會(huì)引起振蕩或超調(diào)。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)型號和負(fù)載情況而定。

2 KNDSD100的參數(shù)設(shè)置技巧

SD100伺服驅(qū)動(dòng)器和凱恩帝數(shù)控系統(tǒng)相配時(shí)，只需設(shè)定表1中的參數(shù)，其余參數(shù)，一般情況下，不用修改。

電子齒輪比的設(shè)置如下：配KND-SD100伺服驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)將KND系統(tǒng)的電子齒輪比設(shè)置為CMR/CMD=1：1，。KND-SD100伺服驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比設(shè)置為

位置指令脈沖分頻分子(PA12)/位置指令脈沖分頻分母(PA13)=4×2500(編碼器條紋數(shù))/帶輪比×絲杠螺距×1000

分子分母可約成整數(shù)。

對于車床，如果X軸以直徑編程，以上公式分母應(yīng)乘以2，即：

位置指令脈沖分頻分子(PA12)/位置指令脈沖分頻分母(PA13)=4×2500(編碼器條紋數(shù))/帶輪比×絲杠螺距×1000×2

例：X軸絲杠螺距為4mm，1：1傳動(dòng);Z軸絲杠螺距為6mm，1：2減速傳動(dòng)，則X軸驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比為

PA12/PA13=4×2500/(1×4×1000×2)=5/4。

Z軸驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比為

PA12/PA13=4×2500/(6×1000×1/2)(減速傳動(dòng)比)=10/3

所以，對于X軸驅(qū)動(dòng)器，PA/2/PA/3應(yīng)設(shè)定為5/4，對于Z軸驅(qū)動(dòng)器，PA12/PA13應(yīng)設(shè)定為10/3。

3　KNDSD100的參數(shù)優(yōu)化技巧

(1) 根據(jù)上述設(shè)置好SD100伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)后，開始優(yōu)化調(diào)整伺服性能，即驅(qū)動(dòng)增益參數(shù)的調(diào)整。一般SD100驅(qū)動(dòng)器保持缺省的增益參數(shù)，基本可以滿足用戶的加工要求。在缺省增益運(yùn)行電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)發(fā)出異常聲音，則要首先考慮電動(dòng)機(jī)軸的安裝是否存在問題。經(jīng)檢查問題后可考慮采用共振抑制的辦法，修改7號參數(shù)(轉(zhuǎn)矩濾波器)和8號參數(shù)(速度檢測低通濾波器)來抑制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)。7、8號參數(shù)缺省參數(shù)為100，可試著每次將7、8號參數(shù)分別減少10，按確認(rèn)鍵。運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，如還不正常，再減少10，直到電動(dòng)機(jī)無異常聲音。一般7，8號參數(shù)的調(diào)整范圍為20～80之間，這樣基本能達(dá)到共振抑制的效果。

(2) 保持出廠參數(shù)時(shí)達(dá)不到加工效果，比如車床車出的斜面粗糙度值大，可試著再調(diào)整如下參數(shù)：①速度比例增益PA5的調(diào)整：確認(rèn)驅(qū)動(dòng)器正常啟動(dòng)，用數(shù)控系統(tǒng)手動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(機(jī)床移動(dòng))。確認(rèn)如果電動(dòng)機(jī)不振動(dòng)，加大調(diào)整此參數(shù)。設(shè)定值越大，剛性越大，機(jī)床的定位精度越高，每次加大數(shù)值5，直到產(chǎn)生振動(dòng)，將此值減小到穩(wěn)定后，再將此值減10;②位置比例增益PA9：在穩(wěn)定范圍內(nèi)，盡量設(shè)置得較大，這樣機(jī)床跟蹤特性好，滯后誤差小。同速度比例增益的調(diào)整相似，在不產(chǎn)生振動(dòng)的情況下應(yīng)盡可能調(diào)大此值;③如以上兩參數(shù)提高后還達(dá)不到加工效果，可采用調(diào)整7、8號參數(shù)的方法進(jìn)行振動(dòng)的抑制參數(shù)調(diào)整。調(diào)整后，驅(qū)動(dòng)器5、9 號參數(shù)可以再向上調(diào)一些，這樣應(yīng)該可以滿足用戶的加工要求。

4　KNDSD100的故障處理技巧

一旦出現(xiàn)報(bào)警信號，伺服單元將禁止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，以及對用戶參數(shù)的調(diào)整，直至斷電后重新上電。用戶可以根據(jù)顯示的報(bào)警信息來判斷故障的類型以及引起故障的原因。具體故障處理辦法可以參考SD100用戶手冊。如果連報(bào)警都沒有，那自然就是驅(qū)動(dòng)器故障。當(dāng)然，還有可能是伺服根本沒有故障，而是控制信號或上位機(jī)有問題導(dǎo)致伺服沒有動(dòng)作。

除了看驅(qū)動(dòng)器上的錯(cuò)誤、報(bào)警號，查手冊外，有時(shí)最直接的判斷就是互換，如數(shù)控車床的X軸和Z軸互換(型號相同才可以)。或在伺服電動(dòng)機(jī)功率差距不大的情況下，修改伺服驅(qū)動(dòng)器某些特征參數(shù)(如KNDSD100的“1”號型號代碼參數(shù))，短時(shí)間內(nèi)互換，確定故障后再換回來是可以的。

還可以通過修改數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，將某軸如X軸鎖住，不讓系統(tǒng)檢測X軸，達(dá)到判斷目的。但應(yīng)注意：X軸與Z軸互換，即使型號相同，機(jī)床可能因?yàn)樨?fù)載不同、參數(shù)不同而產(chǎn)生問題。在確認(rèn)檢查方案動(dòng)手前，一定要考慮全面，以免造成不必要的損失。

再有，因?yàn)榻涣魉欧卧ǔＪ褂脭?shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一供電系統(tǒng)，三相交流220 V的電壓來自伺服變壓器。所以在操作過程中必須符合操作規(guī)范。例如：U、V、W三相輸出必須按照正確的順序連接，否則電動(dòng)機(jī)將不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將給出報(bào)警信號，并禁止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

此外，還可以利用報(bào)警表(表2)提示來處理故障。

5　伺服電動(dòng)機(jī)的其他問題處理技巧

(1)電動(dòng)機(jī)竄動(dòng)：在進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象，測速信號不穩(wěn)定，如編碼器有裂紋;接線端子接觸不良，如螺釘松動(dòng)等;當(dāng)竄動(dòng)發(fā)生在由正方向運(yùn)動(dòng)與反方向運(yùn)動(dòng)的換向瞬間時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向問隙或伺服驅(qū)動(dòng)增益過大所致;

(2) 電動(dòng)機(jī)爬行：大多發(fā)生在起動(dòng)加速段或低速進(jìn)給時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤滑狀態(tài)不良，伺服系統(tǒng)增益低及外加負(fù)載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于連接松動(dòng)或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不同步，從而使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)忽快忽慢;

(3)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)：機(jī)床高速運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過流報(bào)警。機(jī)床振動(dòng)問題一般屬于速度問題，所以應(yīng)尋找速度環(huán)問題;

(4)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低：伺服電動(dòng)機(jī)從額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩到高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩會(huì)突然降低，這時(shí)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的散熱損壞和機(jī)械部分發(fā)熱引起的。高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫升變大，因此，正確使用伺服電動(dòng)機(jī)前一定要對電動(dòng)機(jī)的負(fù)載進(jìn)行驗(yàn)算;

(5) 電動(dòng)機(jī)位置誤差：當(dāng)伺服軸運(yùn)動(dòng)超過位置允差范圍時(shí)(KNDSD100出廠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置PA17：400，位置超差檢測范圍)，伺服驅(qū)動(dòng)器就會(huì)出現(xiàn)“4”號位置超差報(bào)警。主要原因有：系統(tǒng)設(shè)定的允差范圍小;伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng);位置檢測裝置有污染;進(jìn)給傳動(dòng)鏈累計(jì)誤差過大等;

(6)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)：數(shù)控系統(tǒng)到伺服驅(qū)動(dòng)器除了聯(lián)結(jié)脈沖+方向信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24 V繼電器線圈電壓。伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，常用診斷方法有：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有脈沖信號輸出;檢查使能信號是否接通;通過液晶屏觀測系統(tǒng)輸入/出狀態(tài)是否滿足進(jìn)給軸的起動(dòng)條件;對帶電磁制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī)確認(rèn)制動(dòng)已經(jīng)打開;驅(qū)動(dòng)器有故障;伺服電動(dòng)機(jī)有故障;伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)聯(lián)軸節(jié)失效或鍵脫開等。