提高伺服系统精度

在要求精度的运动控制应用中，可以使用大量的伺服电机和机器执行器来满足要求，但整个运动控制系统的选择、设计和集成对于可重复和精确的运动至关重要。虽然伺服电机与其他技术相比有许多优势，但必须考虑一些因素。

高精度伺服系统运动控制的典型应用包括压力机，螺旋钻填料，转盘，用于拾取和放置的机器人，测试或装配操作，镗孔，钻孔，切割，攻丝，以及使用简单索引移动进行单轴或多轴运动的类似应用。

伺服系统用于控制负载。为了使伺服器能够根据系统要求正确地做到这一点，它必须具有适当的尺寸。伺服系统需要能够提供所需的扭矩，速度和精度，整个系统执行设计。

负载的类型，机械传动，系统的占空比(启动和停止的频率)，系统在运行过程中需要多快，以及系统需要多精确，这些都在决定应该选择什么系统时起作用。

伺服控制优势

对于需要精确控制运动的应用程序，有多种选择，包括交流和直流电机的变速驱动器，步进电机和伺服电机(图1)。

伺服系统为精确控制位置，速度和/或扭矩提供了尽可能高的性能水平。与成本较低的步进电机系统相比，伺服系统在更高的速度下提供更大的扭矩，最高可达5,000 rpm。步进电机的最大转矩为零速度，但伺服电机的最大转矩在更高的速度。典型的伺服系统的机器控制也提供了一个更广泛的功率范围，高达3千瓦或更多，比步进电机。

也许步进电机和伺服电机之间最显著的区别是伺服电机通过闭环控制改善定位。虽然一些步进电机采用闭环控制，但没有电机失速和相关位置误差的精确和高速运动轮廓是伺服电机的共同优点。闭环位置控制，更高的扭矩和更高的速度的伺服电机都赋予了高精度应用的好处。

与交流和直流电机的变速驱动器相比，伺服系统在速度、峰值扭矩和加速度方面具有明显的优势。伺服系统在高达5000转/分钟或更高的速度下准确运行。它们的闭环定位能力也远远超过了变速电机和驱动器的典型定位能力。伺服系统也可以在纯扭矩模式下运行，其中系统提供特定数量的扭矩而不考虑位置或速度。这是各种卷绕操作的共同要求。

8个关键精密运动部件

当更换现有的伺服系统时，通常可以选择相同的功率大小，即使电机可能是不同的物理尺寸。当决定一个伺服系统的一个新的应用程序，大小软件经常被使用。该软件包含用于确定负载惯性的数学公式，这是选择伺服系统时的关键参数。

许多组件被指定，设计，安装和测试，以创建一个伺服系统。精密运动控制的八个关键组件是:

1. 伺服电动机
2. 编码器反馈
3. 马达驱动
4. 齿轮箱
5. 致动器
6. 运动控制器
7. 驱动通信硬件
8. 控制和调优软件。

伺服电机，编码器反馈，伺服驱动器，有时也称为放大器，必须设计成一个包一起工作，并仔细匹配电机和负载。

执行机构的类型，甚至执行机构材料的选择都必须仔细考虑。例如，在某些应用中，铝杠杆驱动器可能会弯曲过多，无法进行准确的运动，因此应考虑更坚固的材料或结构支撑。

对于高性能系统，负载的反射惯量(包括任何变速箱和执行机构的惯量)应保持尽可能低——理想情况下与电机惯量的1:1匹配——但通常可以在惯量不匹配高达5:1甚至10:1时获得可接受的性能。

选择合适的伺服系统和执行器，运动控制器和调谐和控制的相关软件就可以指定。无论是单轴还是多轴系统，对于运动剖面的要求，如最大速度、加速度、加速度变化(加速度变化)、总距离和减速，都必须仔细审查才能成功应用。

变速箱、执行机构选择

如果需要齿轮减速，与大多数其他齿轮减速器相比，精密行星齿轮箱提供了更好的精度和可重复性，其高效率让它从伺服系统提供最大功率。齿轮箱还降低了负载的反射惯性，其量等于齿轮传动比的平方。

如果应用程序可以处理最高速度的降低，那么变速箱可以是提高系统整体性能的好方法。在某些应用中，使用齿轮箱来增加系统的可用扭矩，可以使用更小的电机和驱动器，这大大节省了成本。

但是变速箱会给系统增加一些自身的反射惯性，也会引入一定量的反作用力。大多数精密齿轮箱有非常低的间隙，但设计师需要意识到，并计划导致的位置误差。

伺服系统与行星齿轮箱(图2)将提供精确的运动时，连接到广泛的执行机构类型，但只有当所有组件都仔细指定和匹配。虽然可以从不同的供应商那里购买伺服驱动器、伺服电机和行星变速箱，但不建议这样做，因为这需要大量的研究、设计和分析，以确保所有组件正常工作。

从一个供应商那里购买组件，特别是从一个已经仔细匹配了组件并将支持部件的具体组合的供应商那里购买，可以提供几个优势。

供应商已经做了所有的研究，并将向客户保证兼容性。大多数供应商将对此类购买延长更有利的保修，供应商还可以提供批准的安装硬件和连接组件所需的电缆。

选择工具

一些供应商提供用于选择伺服系统和兼容齿轮箱的在线工具，简化了设计工作。在线选择指南有助于设计，并为可以作为系统购买的紧密匹配的组件提供具体建议。

这些选择器工具通常让设计师输入他们的速度和扭矩要求，然后自动提供一个可用的电机和变速箱组合列表。工程师可以输入公制或英制的扭矩数据，或者设计人员可以选择特定的伺服电机尺寸。设计师输入速度数据作为离散值或选择齿轮传动比。最后，工程师可以选择一个首选的物理方向:内联，直角传动，或两者兼有。

可用系统的最终列表包括定价信息，这通常是选择过程中的关键因素。在选择电机/齿轮组合后，设计师可以查看所选伺服系统、变速箱和组合的完整规格。

更先进的选择工具可用于协助伺服电机选择。一种应用允许设计人员为特定的应用选择最佳的电机。软件可以计算所需的速度和扭矩，并验证许多其他系统需求，如最高速度、加速度和惯性不匹配。

使用软件，设计工程师可以建模机械系统，包括丝杠、同步带、齿轮箱等等。一旦建模，软件就可以为给定的机械结构推荐最佳的电机。软件可根据用户的应用规范计算扭矩、速度和惯量要求;处理来自数据库的电机数据;并创建一个符合要求的列表。该软件将指出最佳的电机，并允许用户从列表中进行选择。

内部控制还是外部控制?

大多数伺服系统可以接受来自外部控制器(如可编程逻辑控制器(plc)和可编程自动化控制器(pac))的传统运动命令，一些驱动器也有能力提供自己的内部运动控制。通过伺服驱动器和内部“索引器”，可以在驱动器中预先定义和存储多达8个索引移动，然后使用来自PLC或PAC的离散输入信号进行选择和执行。

还可以通过使用串行通信协议从外部控制器发送命令来启动甚至更改这些预定义的索引配置文件。运动可以是增量的或绝对的(归巢例程可在驱动器)，加速度可以是线性或s曲线。许多应用程序受益于调整加速度和选择s曲线运动剖面，因为这可以减少移动过程中的位置超调。

有多种方法从外部控制器控制伺服驱动器。RS485/RS422和Modbus串行通信是向驱动器发送运动命令的典型协议。命令被执行，位置控制循环在驱动器内部关闭。驱动器也可以通过高速脉冲和方向信号控制，或通过与速度或扭矩成比例的模拟电压控制。驱动器和伺服电机也可以跟随外部编码器信号。

这些方法都会影响伺服系统的精度。老式的模拟电压命令可能不如较新的数字控制方法(如内部控制或外部脉冲和方向信号)准确。系统分辨率可以用数字驱动器命令方案计算，并应进行检查，以确保其满足整体系统精度要求。

当使用外部运动控制器作为主控制器时，多个驱动器可以使用驱动器的串行端口进行daisy-链式连接并分别寻址。这允许对多轴过程进行非常简单而强大的控制，不需要精确的路径控制，只需要精确的开始点和停止点(图3)。

伺服系统编程

无论是外部运动控制器还是内部运动控制驱动器，运动软件及其特性和功能对整个系统的精度都有重要影响。具有板载索引器和自适应调谐模式的驱动器必须正确配置，外部运动控制器也必须正确配置。

当需要高动态响应时，需要仔细调整伺服系统，最好是附加负载。无论系统是使用自适应自动调优软件还是由程序员手动调整，准确的调优都能提供更快的移动速度，最大限度地减少海绵运动，同时减少移动完成后的超调或振铃。

驱动器配置软件可以提供驱动器参数配置和自动调优算法和工具，以帮助找到大多数应用程序的最佳设置。

一旦驱动器配置和调优，运动剖面的类型可以编程。s曲线加速度剖面，相对于梯形(线性)运动，提供更好的位置精度和更少的超调，特别是在伺服系统的边缘调谐。这些标准运动剖面的能力提供了更高的精度，和更少的系统震动和振动。

有时执行器的控制顺序会影响精度。例如，一种常用的最小化间隙及其相关位置误差的方法是从一个共同的方向接近所有目标位置。在需要反向移动的情况下，一些设计人员将负载移过所需位置，然后从公共方向返回到该位置。

伺服调整的最大性能

适当选择的伺服系统，变速箱和执行器可用于解决广泛的精密自动化挑战。设计师和机器制造商应该仔细选择和审查所需的组件，在线选择工具可以帮助确定选择。为了达到最大的性能，所有的伺服系统都需要在初始启动时进行调整，并进行适当的软件配置和编程。经过适当的指定、设计、安装、调试和编程，伺服系统可以提供精确的、可重复的多年运行。

- Chip McDaniel, AutomationDirect技术营销;由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 精心选择的伺服电机，机器执行器和相关组件提供了精确的精度在运动控制应用。
• 设计师和机器制造商应该仔细选择和审查所需的组件，在线选择工具可以帮助确定选择。
• 为了达到最大的性能，所有的伺服系统都需要在初始启动时进行调整，并进行适当的软件配置和编程。

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关于作者

Chip McDaniel就职于AutomationDirect的技术营销部门，毕业于佐治亚理工学院工业设计专业。他在工业自动化领域有30年的经验，包括设计、建造和调试多轴伺服系统。

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