淺析交流伺服系統(tǒng)中的電子齒輪

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在機(jī)械加工，冶金制造、分切輸送、機(jī)器人或機(jī)械手等領(lǐng)域，被控對(duì)象的動(dòng)作越來越復(fù)雜化、多樣化，它們都涉及到各自的位置定位，并且有著越來越高的控制要求。 是目前工業(yè)自動(dòng)化傳動(dòng)技術(shù)的高端技術(shù)之一，它使得輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），數(shù)控技術(shù)確保執(zhí)行元件跟隨設(shè)定的指令，進(jìn)行人們期望的運(yùn)動(dòng)。它具備有位置、速度和力矩三種控制方式，主要用于高精度的定位，可以滿足各類復(fù)雜機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）變化定位要求。

對(duì)“電子齒輪”的理解

伺服系統(tǒng)一般具備三大環(huán)節(jié)：伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和實(shí)施控制的上位機(jī)，上位機(jī)大都用PLC或單片機(jī)。如圖：

伺服電機(jī)是這個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，伺服系統(tǒng)靠脈沖來定位，而位置控制的基本點(diǎn)是上位機(jī)依據(jù)被控對(duì)象的具體控制要求，編制程序；伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行上位機(jī)程序，輸出脈沖。這樣，帶有特定程序規(guī)則的脈沖電源讓伺服電機(jī)驅(qū)使機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)位移或轉(zhuǎn)角，完成工序作業(yè)任務(wù)。可見無論控制對(duì)象的要求千變?nèi)f化，其準(zhǔn)確的位置定位必然與脈沖的數(shù)量和每單位脈沖期間機(jī)械部件的移動(dòng)量這樣兩個(gè)要素密切相關(guān)。

就機(jī)械構(gòu)成而言，伺服電機(jī)輸出軸與負(fù)載輸入之間通常都有減速裝置，它反映了伺服電機(jī)與負(fù)載輸入之間轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)（倍率）關(guān)系，俗稱速比。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這樣的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)一旦確立，那么減速裝置的速比就是固定的，如果需要調(diào)整，就意味可能廢除原有硬件，重新制作安裝，顯然不是很方便。能不能找到更方便且有效的途徑，讓機(jī)械系統(tǒng)的速度變化在一定的范圍內(nèi)可調(diào)整、設(shè)定呢？

微電子技術(shù)和大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了伺服驅(qū)動(dòng)器，它采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，達(dá)到數(shù)字化、智能化；其功率器件采用以智能功率模塊（IPM）為核心的驅(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(cè)保護(hù)，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程中的浪涌電流對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出電源是對(duì)交流三相或單相電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電，通過正弦脈寬調(diào)制（SPWM）電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。這樣伺服電機(jī)接受來自驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖，在脈沖寬度的時(shí)間段內(nèi)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)位移，一串這樣的脈沖就使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載。由于伺服驅(qū)動(dòng)器輸出電源采用了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是輸出的脈沖串不等寬，它可以根據(jù)控制信號(hào)來產(chǎn)生脈寬。如此，伺服電機(jī)的移動(dòng)量就可以隨脈寬的可控特性來選擇、設(shè)定，靈活調(diào)整而未必變更硬件。換句話說，即使相同頻率的脈沖串，由于用戶對(duì)電機(jī)在其對(duì)應(yīng)的脈沖寬度內(nèi)移動(dòng)量的設(shè)定值不一樣，電機(jī)速度乃至負(fù)載側(cè)速度就會(huì)不一樣，它所起的作用與機(jī)械變速齒輪相似，但是卻不像機(jī)械變速齒輪那樣有形，于是有了個(gè)與機(jī)械對(duì)應(yīng)的說法：“電子齒輪”。三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司這樣描述“電子齒輪”的作用：機(jī)械可以以任意倍率的輸入脈沖進(jìn)行移動(dòng)。

“電子齒輪”的結(jié)構(gòu)分析與實(shí)踐

伺服驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)商給出的“電子齒輪”的表達(dá)式為分?jǐn)?shù)，其分子和分母分別被定義為兩個(gè)可以設(shè)定的用戶參數(shù)：

分析上述表達(dá)式，四項(xiàng)主要數(shù)據(jù)有著各自的特點(diǎn)：

一．負(fù)載轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速 （俗稱速比）習(xí)慣上這是由機(jī)械角度考慮決定的，但是由于它是“電子齒輪”的組成部分，在數(shù)值上應(yīng)盡量選取整數(shù)，這一點(diǎn)對(duì)于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)類機(jī)械而言尤為突出。

二．負(fù)載軸轉(zhuǎn)一周的移動(dòng)量對(duì)于不同工序要求的機(jī)械系統(tǒng)，負(fù)載軸一轉(zhuǎn)完成的移動(dòng)量不一樣，絲桿類行進(jìn)的是螺旋長(zhǎng)度；圓臺(tái)類旋轉(zhuǎn)的是一周角度；傳送類則是負(fù)載軸的周長(zhǎng)，等等。它是設(shè)備功能決定的，選擇余地不大。

三．伺服電機(jī)編碼器分辨率編碼器是伺服電機(jī)乃至伺服系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵部件，因?yàn)樗欧姍C(jī)接收脈沖每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼器就會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，回饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，與伺服電機(jī)接收的脈沖形成呼應(yīng)，稱為閉環(huán)。有了這種環(huán)節(jié)，伺服控制系統(tǒng)就會(huì)對(duì)發(fā)出和收回脈沖數(shù)量予以比較、調(diào)節(jié)，很精確地控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到精確定位。編碼器分辨率表示了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)數(shù)量的數(shù)值，顯然這個(gè)數(shù)值越高，表示每轉(zhuǎn)發(fā)出的數(shù)字脈沖越細(xì)分，檢測(cè)精度也會(huì)相應(yīng)提高。當(dāng)然它是與伺服電機(jī)一體安裝的，用戶在選擇伺服電機(jī)時(shí)配套考量。

四．每指令脈沖對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量 （亦稱為指令單位）這個(gè)數(shù)值由用戶自行選擇，是體現(xiàn)“電子齒輪”“變速”作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，筆者多年來分別使用過三菱MR—J3系列伺服放大器和安川SGDM型伺服單元，體會(huì)到這個(gè)“指令單位”的取值極重要，它直接影響“電子齒輪”比值，需要結(jié)合機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)綜合考慮，兼顧下列因素：

1. 最高輸出速度在機(jī)械減速器已確定的前提下，受上位機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器最高輸出頻率的限制，指令單位的取值直接影響負(fù)載軸能輸出的最高轉(zhuǎn)速，成正比趨勢(shì)。筆者使用三菱FX系列PLC分別與三菱及安川伺服驅(qū)動(dòng)器組成系統(tǒng)，用于分切輸送機(jī)械，曾計(jì)算指令單位取值與負(fù)載線速度的關(guān)系如下：

可以看出：指令單位越小，負(fù)載線速度越低；上位機(jī)頻率越低，負(fù)載線速度相應(yīng)也低。折算成輸出軸速度有同樣比例關(guān)系。

2. 定位精度顯然指令單位取值越小，相當(dāng)于脈沖當(dāng)量越細(xì)分。比如，指令單位取值由0.1縮小10倍成0.01，相當(dāng)于在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)位移由0.1修改成0.01。換言之，原來一個(gè)脈沖的位移，現(xiàn)在要十個(gè)脈沖來完成，其相對(duì)定位精度自然會(huì)比修改前高。

由此可以看出，當(dāng)其他條件不變的前提下，指令單位取值對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的速度和精度有著密切關(guān)系，伺服系統(tǒng)為用戶提供數(shù)字控制平臺(tái)，而用戶則應(yīng)在滿足設(shè)備加工要求前提下，最大限度地在速度和定位精度兩者尋求恰當(dāng)數(shù)值。三菱MR—J3系列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應(yīng)用選擇空間；另外提供三個(gè)擴(kuò)展參數(shù)，作為電子齒輪的分子數(shù)據(jù)，可以通過驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)輸入端子功能設(shè)置，由PLC編程組合成四種“電子齒輪”，更增加變速范圍。

從“電子齒輪”的數(shù)值結(jié)構(gòu)可以看出，作為分子分母的兩個(gè)用戶參數(shù)是整數(shù)，然而它必須通過公式演算化簡(jiǎn)，因此各有關(guān)數(shù)據(jù)取值時(shí)應(yīng)充分考慮計(jì)算、化簡(jiǎn)的可能性，便于取舍。

為了確保伺服系統(tǒng)正常運(yùn)行，制造商會(huì)對(duì)“電子齒輪”的比值范圍作出限制，并且提醒用戶，如果超出限制范圍會(huì)產(chǎn)生可能的后果，比如發(fā)出異常噪音；不能按照設(shè)定的速度或加減速時(shí)間常數(shù)運(yùn)行；甚至影響定位精度，等等，一旦出現(xiàn)這些情況須在減速機(jī)速比、負(fù)載位移量（周長(zhǎng)、角度、行程）及指令單位取值等方面厘清主次，尋求平衡。