伺服系统应用提示
电动伺服系统为越来越多的通用工业应用提供最先进和精确的运动控制。SERISOS Excel以两个不同的工作模式：快速点对点负载定位和光滑，精确的点之间的轨迹控制点，如表面轮廓。
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电动伺服系统为越来越多的通用工业应用提供最先进和精确的运动控制。SERISOS Excel以两个不同的工作模式：快速点对点负载定位和光滑，精确的点之间的轨迹控制点，如表面轮廓。
伺服运动等成熟技术的一个特征是优选的设计方法和应用程序的主体，它可以为最终用户提供用于实施其特定项目的宝贵技巧。这些“提示”范围从拇指规则（用于惯性载荷，适当的接地/屏蔽和电机冷却）到复杂的伺服调谐算法。几个提示专注于后一个区域，因为必须良好地调整伺服运动系统以实现完全精确和动态性能。
一些应用“艺术”伴随着一门成功的伺服运动系统的科学。一种合乎逻辑的开始方式是查看整个系统。
购买作为系统
Danaher motion公司的伺服技术首席工程师George Ellis表示，购买运动控制器、驱动器和伺服电机作为一个系统，将消除许多问题，包括布线、配置和通信问题。单独来源的组件的一个复杂之处是连接引线，这些引线可能在电机、驱动终端和反馈设备(编码器、解析器、霍尔传感器等)有不同的顺序。埃利斯说:“如果交换两根电线，发动机可能会失灵或失去控制。”“同样，如果驱动器或控制器中的一个配置参数出现错误，可能会导致系统性能不佳，而且没有明显的原因。”兼容性的设置和调整软件也有利于电机和驱动器从一个供应商。
虽然单独购买组件适合某些情况，但控制工程在伺服电机上的产品研究调查还验证了系统方法。在最新的调查（2006年3月）中，受访者表示71％的偏好购买匹配伺服驱动器和电机与单独单位的12％。“当您将伺服产品作为系统购买时，您的伺服系统将更快地提出更好，更好地工作，”添加ellis。
调整至关重要
“调谐是设置几个增益(通常在3到5之间)的过程，以获得快速、稳定的响应，而没有过多的噪声，”Ellis继续说。然而，由于不熟悉的原理而不是复杂性，伺服系统的调谐可能会令人困惑。他建议:“避免随机调整的方法，在这种方法中增益上下调整，希望获得良好的响应。”如果没有调整计划，增益设置可能会失去控制。Ellis补充道:“伺服供应商可以为其产品提供适合用户的调整程序，而不需要控制理论博士水平的知识。”
| Inertia feedforward (IFF) turning—part of B&R Industrial Automation’s servo controllers—reduces lag error by up to more than 300:1 in normally hard to tune applications, improves torque performance, and allows the motion axis to settle into position in half the time. |
Baldor Electric Co.的伺服产品经理John Mazurkiewicz指出，今天的伺服控制允许手动或自动调控;经验丰富的工程师通常手动调谐，虽然需要更长时间。对于AutoTuning，他建议首先做一个无法加载的试验，然后在负载下进行调整，一旦用户熟悉控制，负载行为和加载位置。“通常控制自动调谐电流和速度循环，但是，Baldor的控件是唯一的，并且调整位置环路设置甚至更容易。完全自动避险通常在10分钟内很容易完成，“他说。
馈线
贝加莱工业自动化公司建议，当伺服应用程序变得难以通过PID方法来精确地加速和定位高惯性负载时，考虑使用电流前馈。悬垂载荷，或机械凸轮弹簧载荷同样要求使用这种调整方法，也称为惯性前馈(IFF)。
“而不是通过PID控制回路产生所需的扭矩，当前的前馈方法让驱动器在内部计算适当的电流（扭矩），”B＆R工业自动化运动控制专家Markus Sandhofer说。“要有效地，必须在驱动器内实时执行当前的前馈计算。虽然电流是向前馈送的，但PID控制仍然有效，但不必终于调整以达到最大精度。“
所有PID控制循环的实质性滞后误差是固有的。相比之下，IFF通过显着地切割滞后误差有效地处理高负荷惯性和其他难以载荷（参见“惯性前馈”图）。B＆R在其Acopos系列伺服控制器上提供惯性馈电调整作为标准用户可访问功能。
完全剥削调整工具
广泛的伺服调谐技术存在。然而，通用电气发那科自动化公司(GE Fanuc Automation Inc.)伺服产品经理保罗·韦伯斯特(Paul Webster)指出，机床制造商通常只在伺服控制中加载默认参数，而不进行调整。机器可能运行得很好，但仅此而已。默认伺服设置是为了在一般情况下提供基本性能。韦伯斯特说:“只做基本的伺服调优就可以显著提高机器性能。”
| GE Fanuc CNC的高级调整包括逐步学习功能，以减少机器丢失的运动。在显示的2轴轮廓操作中，原始丢失运动（象限突出）条件（ |
Beyond the default stage, initial parameter settings for high precision (and high speed) are available via “one-shot function,” said to be easily set in Fanuc’s Series 0i-C low-end controllers, or by Servo Guide PC-based software on more advanced series Fanuc CNCs. The next important tuning step to improve servo performance is setting of速度增益和共振消除过滤器韦伯斯特解释道。调整软件，如伺服指南帮助这一过程。
通过分析控制环的频率响应相对于其增益幅度（以dB测量）和相角（deg）来评估伺服系统稳定性。寻找的重要结果包括宽的带宽（近持续增益与频率），具有10dB以下的值，并在-20 dB中获得边距频率滚动，状态韦伯斯特。滤波器调谐对于在BODE绘图上移除正频尖峰时，对谐振消除是有效的，并且在频率滚动下保持在-10 dB之下。
为了从Servo Systems获取完整性能，GE Fanuc在其CNC上提供高级调整功能。根据韦伯斯特的说法，简单，直观的调整导航器通过流程步骤帮助指导用户。值得注意的是动态学习功能，可在数控加工应用中自动减少象限突出（或丢失的运动）。象限突起（QP）由反弹 - 由于机器零件之间的物理间隙 - 和系统“弹性”，也称为卷绕。两种不同的丢失运动组件组合以充当系统延迟，在圆形图上产生QP效果（参见“丢失的运动”图）。
“我们用来删除象限突出的功能称为”反弹加速“，它调整反冲金额并对丢失运动因子的速度命令添加校正，”韦伯斯特说。动态调谐在连续步骤中发生 - 直到用户或应用程序对运动路径精度满意。“一旦开始，学习过程自身运行，并且在某种意义上，CNC从其初始”错误“中学习，添加韦斯特。
其他伺服系统供应商还提供某种形式的丢失运动校正。
不要忘记加载惯性
负载惯量与电动机惯性的比率是一个重要的考虑因素。存在不同的拇指规则，负载/电动机惯量比为10：1（或更小）通常推荐 - 例如，通过Baldor Electric。“有些可能表明比率更高，但点数是限制”惯性错配“的范围，以便调整更容易完成，”Mazurkiewicz说。
Bosch Rexroth Corp.同样建议检查“驱动负荷”的惯性幅度。如果与电机转子惯性相比，如果负载惯量高，则载重速度高速变化和定位变化非常困难，博世雷克斯队的高级应用工程师Brian Van Laar解释Brian Van Laar。“在某些情况下，负载可以在减速期间实际驱动电动机，导致过冲和长期沉降时间，”他说。该公司推荐以下“良好标准”对于惯性不匹配：＆2：1用于快速定位，5：1适用于中等定位，＆10：1用于快速速度变化。
Mazurkiewicz建议，如果应用允许，改善惯性不匹配的一种方法是增加齿轮传动比或滚珠丝杠螺距。这有降低负载惯量的效果，反映在电机上。同时选择传动比、螺距和电机，不要把电机尺寸留作后顾之想。
另一方面，通过适当的调整，可以容纳更高的惯性比率。例如，Baldor提及手动调谐伺服系统的情况，具有144：1惯性比对于包装机的不匹配。但是，需要六个小时的调整以完全满足客户。可以在更高的惯性失配值下预期响应的减少。讨论了高惯性应用的其他不寻常的例子ce1997年9月，“电动伺服仪表更少确实”（第103-115页）。
注意那个电机
Baldor的Mazurkiewicz列举了在伺服电机安装中发现的几个常见问题:
电机没有达到速度可用电压不足的结果。选择电压“净空”值至少为10%的电机，以处理低电压条件;并通过电机上的测量来验证电压。
扭矩不足可能是由于低估负载（选择的电机太小）或磁铁退磁（用铁氧体磁铁）。“demag”易于通过电压表或范围检查：测量电机以测试速度运行电机，然后使用另一个电机以相同的速度向后驱动它。如果输出电压不相同，则测试电机被拆卸。重新磁化必须由电机制造商完成，但检查并纠正导致Demag的原因，因此它不会重复。
过热伺服电机的原因是转矩需求过大，指示电机尺寸过小或存在电流纹波(用范围检查)。马祖凯维奇说:“反馈设备的不恰当调整或不恰当对准可能会引起涟漪。”他对用手触摸“测量”电机温度提出了警告。合适尺寸的无刷伺服电机的外壳温度将是100-125°C(212-257°F)!
爱护电机反馈装置
对于分解器，用欧姆表验证电阻，通过电机连接器和连接电缆进行检查。对于编码器，使用5v电源和示波器检查通道a和通道B之间测量的5v方波
一些电机控制提供了另一种方法来检查反馈设备。例如，Baldor系列II驱动器包括“反馈故障使能”功能，用于检查缺失的信号补充，并可以设置“故障”。
冷却电机=最佳性能
内部产生的热量会影响所有电机。然而，直接驱动电动机（旋转和线性）也成为影响它们服务的高精度生产机器精度的热源，因为它们的物理集成到机器结构中。结果，直接驱动电机（DDMS）大多是液体冷却以获得最佳热控制。DDMS通常在高速金属切割机中找到，包括激光型，木材加工机械和龙门堆垛机/脱发系统。
Karl RAPP，Bosch Rexroth自动化和机床分支经理建议详细关注选择安装电机数量的冷却器容量，它们在机器上的位置，它们各自的负载和温度（Min / Max和Ambient）。冷却剂压降是由每个电动机的位置（高度）相对于泵，管直径和冷却系统流动路径的长度影响的主要因素。“如果有多个电机，必须使用歧管来正确供应每个电机，”RAPP说。“必须在每个电动机的冷却剂输出处用传感器测量正确的流量。”
建议使用水或油的冷却剂，但不能自来水，服务水或机切割液。这种液体的化学成分可导致冷却剂流量阻塞和电机过热，随着机器的伴随的停工和生产。“每月监测冷却液pH值，以避免化学侵蚀和泄漏，”rapp。他补充说，通过储质温度，流量，压力和pH传感器，已经简化和制造了对冷却系统的自动控制和监测。
对多个轴进行分散
由于伺服轴的数量增加了机器，所需的吞吐量，精度和灵活性成为运动控制器所需的处理电源的权衡。B＆R工业自动化为某些多轴应用推荐分布式运动控制，以便于伺服驱动器和运动控制器之间的处理负担和通信。目标应用包括印刷，包装和填充机器和装配线。
分布式运动控制（DMC）与使用标准控制器的集中方法不同 - 例如，如果机器扩展以后需要10或18轴，则强制添加第二控制器。“事实上，DMC消除了对集中运动控制器或CPU的需求，因为所有高速运动计算都是在驱动器内本地执行的，”B＆R的Sandhoefner说。“还消除了运动控制器之间精确同步的需要，并且接线很简单。”但是，逻辑和系统I / O功能保留在集中式主控制器中。
使用DMC，通过快速的实时网络（例如以太网PowerLink）广播主位置，允许每个驱动器同时从“驱动器内部凸轮”中计算自己的从位置，他解释。然后，将每个从位置实时处理，作为位置控制回路的新设定点 - 也在驱动器内关闭。“结果，运动控制性能不再取决于机器中安装的轴数，即使在最终用户站点在完整生产之后添加了新的选项模块，”也会添加Sandhofer。
作为最终提示：不要将制造商的文献和网站视为伺服运动应用程序的宝贵信息来源。
使用适当的接地，屏蔽，EMI实践
电磁干扰（EMI）产生令人反感的可听声噪声和不稳定的运动。丹纳赫运动表明，在良好的EMI实践之后 - 例如使用适当的屏蔽电缆，为长引线添加共模扼流圈，分离电源和反馈信号将避免大多数EMI问题。DanAher保持“噪音清单”，描述了避免EMI问题的八个简单步骤，独立于所选的伺服组件供应商（请参阅“进一步阅读”下的在线链接）。
Bosch Rexroth同样看到更好的接地和屏蔽作为伺服驱动器中使用的更高的开关频率装置，例如IGBT的越来越多的接地和屏蔽。“在动态和响应性方面，较高的开关频率是有利的，但也可以是电噪声更高的源，高级应用工程师表示。“然而，机器建设者和最终用户必须遵守伺服制造商的屏蔽和接地建议，以确保无故障运行。”
