伺服系统位置控制中的“电子齿轮”分析

摘要：伺服系统位置控制模式的关键参数“电子齿轮”是个专业性较强的技术术语，工程技术人员在应用中一般是套用公式。本文讨论伺服驱动器发出脉冲，控制电机位移量；数控技术使用户可以选择设定值，实现电子化“变速”的基本思路，及对“电子齿轮”的应用体会。
     现代工业的发展，在机械加工，冶金制造、分切输送、机器人或机械手等领域，被控对象的动作越来越复杂化、多样化，它们都涉及到各自的位置定位，并且有着越来越高的控制要求。交流伺服系统是目前工业自动化传动技术的高端技术之一，它使得输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），数控技术确保执行元件跟随设定的指令，进行人们期望的运动。它具备有位置、速度和力矩三种控制方式，主要用于高精度的定位，可以满足各类复杂机械位移（或转角）变化定位要求。
◆  对“电子齿轮”的理解
     伺服系统一般具备三大环节：伺服电机、伺服驱动器和实施控制的上位机，上位机大都用PLC或单片机。如图：

     伺服电机是这个系统的执行元件，伺服系统靠脉冲来定位，而位置控制的基本点是上位机依据被控对象的具体控制要求，编制程序；伺服驱动器执行上位机程序，输出脉冲。这样，带有特定程序规则的脉冲电源让伺服电机驱使机械部件实现位移或转角，完成工序作业任务。可见无论控制对象的要求千变万化，其准确的位置定位必然与脉冲的数量和每单位脉冲期间机械部件的移动量这样两个要素密切相关。
     就机械构成而言，伺服电机输出轴与负载输入之间通常都有减速装置，它反映了伺服电机与负载输入之间转速的对应（倍率）关系，俗称速比。由于机械结构的特点，这样的机械传动系统一旦确立，那么减速装置的速比就是固定的，如果需要调整，就意味可能废除原有硬件，重新制作安装，显然不是很方便。能不能找到更方便且有效的途径，让机械系统的速度变化在一定的范围内可调整、设定呢？
     微电子技术和大功率电力电子技术的发展产生了伺服驱动器，它采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，实现比较复杂的控制算法，达到数字化、智能化；其功率器件采用以智能功率模块（IPM）为核心的驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程中的浪涌电流对驱动器的冲击。伺服驱动器的输出电源是对交流三相或单相电进行整流，得到相应的直流电，通过正弦脉宽调制(SPWM)电压型逆变器变频来驱动伺服电机。这样伺服电机接受来自驱动器输出的脉冲，在脉冲宽度的时间段内，电机实现位移，一串这样的脉冲就使得电机旋转起来，进而驱动机械负载。由于伺服驱动器输出电源采用了正弦脉宽调制技术，这种技术的特点是输出的脉冲串不等宽，它可以根据控制信号来产生脉宽。如此，伺服电机的移动量就可以随脉宽的可控特性来选择、设定，灵活调整而未必变更硬件。换句话说，即使相同频率的脉冲串，由于用户对电机在其对应的脉冲宽度内移动量的设定值不一样，电机速度乃至负载侧速度就会不一样，它所起的作用与机械变速齿轮相似，但是却不像机械变速齿轮那样有形，于是有了个与机械对应的说法：“电子齿轮”。三菱电机自动化有限公司这样描述“电子齿轮”的作用：机械可以以任意倍率的输入脉冲进行移动。
◆  “电子齿轮”的结构分析与实践
     伺服驱动器生产商给出的“电子齿轮”的表达式为分数，其分子和分母分别被定义为两个可以设定的用户参数：

     分析上述表达式，四项主要数据有着各自的特点：
     一．负载转速/电机转速 （俗称速比）  习惯上这是由机械角度考虑决定的，但是由于它是“电子齿轮”的组成部分，在数值上应尽量选取整数，这一点对于旋转工作台类机械而言尤为突出。
     二．负载轴转一周的移动量  对于不同工序要求的机械系统，负载轴一转完成的移动量不一样，丝杆类行进的是螺旋长度；圆台类旋转的是一周角度；传送类则是负载轴的周长，等等。它是设备功能决定的，选择余地不大。
     三．伺服电机编码器分辨率   编码器是伺服电机乃至伺服系统精确定位的关键部件，因为伺服电机接收脉冲每旋转一个角度，编码器就会发出对应数量的脉冲，回馈给伺服驱动器，与伺服电机接收的脉冲形成呼应，称为闭环。有了这种环节，伺服控制系统就会对发出和收回脉冲数量予以比较、调节，很精确地控制伺服电机的转动，从而达到精确定位。编码器分辨率表示了伺服电机旋转一周的位移量转换成数字脉冲信号数量的数值，显然这个数值越高，表示每转发出的数字脉冲越细分，检测精度也会相应提高。当然它是与伺服电机一体安装的，用户在选择伺服电机时配套考量。
     四．每指令脉冲对应的移动量 （亦称为指令单位）  这个数值由用户自行选择，是体现“电子齿轮”“变速”作用的关键数据，笔者多年来分别使用过三菱MR—J3系列伺服放大器和安川SGDM型伺服单元，体会到这个“指令单位”的取值极重要，它直接影响“电子齿轮”比值，需要结合机械和电气设计综合考虑，兼顾下列因素：
     1. 最高输出速度   在机械减速器已确定的前提下，受上位机或伺服驱动器最高输出频率的限制，指令单位的取值直接影响负载轴能输出的最高转速，成正比趋势。笔者使用三菱FX系列PLC分别与三菱及安川伺服驱动器组成系统，用于分切输送机械，曾计算指令单位取值与负载线速度的关系如下：

     可以看出：指令单位越小，负载线速度越低；上位机频率越低，负载线速度相应也低。折算成输出轴速度有同样比例关系。
     2. 定位精度   显然指令单位取值越小，相当于脉冲当量越细分。比如，指令单位取值由0.1缩小10倍成0.01，相当于在一个脉冲宽度内位移由0.1修改成0.01。换言之，原来一个脉冲的位移，现在要十个脉冲来完成，其相对定位精度自然会比修改前高。
     由此可以看出，当其他条件不变的前提下，指令单位取值对机械系统的速度和精度有着密切关系，伺服系统为用户提供数字控制平台，而用户则应在满足设备加工要求前提下，最大限度地在速度和定位精度两者寻求恰当数值。三菱MR—J3系列伺服放大器还拓宽了“电子齿轮”的应用选择空间；另外提供三个扩展参数，作为电子齿轮的分子数据，可以通过驱动器两个输入端子功能设置，由PLC编程组合成四种“电子齿轮”，更增加变速范围。
     从“电子齿轮”的数值结构可以看出，作为分子分母的两个用户参数是整数，然而它必须通过公式演算化简，因此各有关数据取值时应充分考虑计算、化简的可能性，便于取舍。
     为了确保伺服系统正常运行，制造商会对“电子齿轮”的比值范围作出限制，并且提醒用户，如果超出限制范围会产生可能的后果，比如发出异常噪音；不能按照设定的速度或加减速时间常数运行；甚至影响定位精度，等等，一旦出现这些情况须在减速机速比、负载位移量（周长、角度、行程）及指令单位取值等方面厘清主次，寻求平衡。