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，在機械加工，冶金制造、分切輸送、機器人或機械手等領域，被控對象的動作越來越復雜化、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)自動化傳動技術的高端技術之一，它使得輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），數(shù)控技術確保執(zhí)行元件跟隨設定的指令，進行人們期望的運動。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，可以滿足各類復雜機械位移（或轉角）變化定位要求。

對“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、伺服驅動器和實施控制的上位機，上位機大都用PLC或單片機。如圖：

伺服電機是這個系統(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是上位機依據(jù)被控對象的具體控制要求，編制程序；伺服驅動器執(zhí)行上位機程序，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驅使機械部件實現(xiàn)位移或轉角，完成工序作業(yè)任務?？梢姛o論控制對象的要求千變萬化，其準確的位置定位必然與脈沖的數(shù)量和每單位脈沖期間機械部件的移動量這樣兩個要素密切相關。

就機械構成而言，伺服電機輸出軸與負載輸入之間通常都有減速裝置，它反映了伺服電機與負載輸入之間轉速的對應（倍率）關系，俗稱速比。由于機械結構的特點，這樣的機械傳動系統(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，讓機械系統(tǒng)的速度變化在一定的范圍內可調整、設定呢？

微電子技術和大功率電力電子技術的發(fā)展產(chǎn)生了伺服驅動器，它采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，實現(xiàn)比較復雜的控制算法，達到數(shù)字化、智能化；其功率器件采用以智能功率模塊（IPM）為核心的驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程中的浪涌電流對驅動器的沖擊。伺服驅動器的輸出電源是對交流三相或單相電進行整流，得到相應的直流電，通過正弦脈寬調制（SPWM）電壓型逆變器變頻來驅動伺服電機。這樣伺服電機接受來自驅動器輸出的脈沖，在脈沖寬度的時間段內，電機實現(xiàn)位移，一串這樣的脈沖就使得電機旋轉起來，進而驅動機械負載。由于伺服驅動器輸出電源采用了正弦脈寬調制技術，這種技術的特點是輸出的脈沖串不等寬，它可以根據(jù)控制信號來產(chǎn)生脈寬。如此，伺服電機的移動量就可以隨脈寬的可控特性來選擇、設定，靈活調整而未必變更硬件。換句話說，即使相同頻率的脈沖串，由于用戶對電機在其對應的脈沖寬度內移動量的設定值不一樣，電機速度乃至負載側速度就會不一樣，它所起的作用與機械變速齒輪相似，但是卻不像機械變速齒輪那樣有形，于是有了個與機械對應的說法：“電子齒輪”。三菱電機自動化有限公司這樣描述“電子齒輪”的作用：機械可以以任意倍率的輸入脈沖進行移動。

“電子齒輪”的結構分析與實踐

伺服驅動器生產(chǎn)商給出的“電子齒輪”的表達式為分數(shù)，其分子和分母分別被定義為兩個可以設定的用戶參數(shù)：

分析上述表達式，四項主要數(shù)據(jù)有著各自的特點：

一．負載轉速/電機轉速 （俗稱速比）習慣上這是由機械角度考慮決定的，但是由于它是“電子齒輪”的組成部分，在數(shù)值上應盡量選取整數(shù)，這一點對于旋轉工作臺類機械而言尤為突出。

二．負載軸轉一周的移動量對于不同工序要求的機械系統(tǒng)，負載軸一轉完成的移動量不一樣，絲桿類行進的是螺旋長度；圓臺類旋轉的是一周角度；傳送類則是負載軸的周長，等等。它是設備功能決定的，選擇余地不大。

三．伺服電機編碼器分辨率編碼器是伺服電機乃至伺服系統(tǒng)精確定位的關鍵部件，因為伺服電機接收脈沖每旋轉一個角度，編碼器就會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，回饋給伺服驅動器，與伺服電機接收的脈沖形成呼應，稱為閉環(huán)。有了這種環(huán)節(jié)，伺服控制系統(tǒng)就會對發(fā)出和收回脈沖數(shù)量予以比較、調節(jié)，很精確地控制伺服電機的轉動，從而達到精確定位。編碼器分辨率表示了伺服電機旋轉一周的位移量轉換成數(shù)字脈沖信號數(shù)量的數(shù)值，顯然這個數(shù)值越高，表示每轉發(fā)出的數(shù)字脈沖越細分，檢測精度也會相應提高。當然它是與伺服電機一體安裝的，用戶在選擇伺服電機時配套考量。

四．每指令脈沖對應的移動量 （亦稱為指令單位）這個數(shù)值由用戶自行選擇，是體現(xiàn)“電子齒輪”“變速”作用的關鍵數(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，體會到這個“指令單位”的取值極重要，它直接影響“電子齒輪”比值，需要結合機械和電氣設計綜合考慮，兼顧下列因素：

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

可以看出：指令單位越小，負載線速度越低；上位機頻率越低，負載線速度相應也低。折算成輸出軸速度有同樣比例關系。

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

由此可以看出，當其他條件不變的前提下，指令單位取值對機械系統(tǒng)的速度和精度有著密切關系，伺服系統(tǒng)為用戶提供數(shù)字控制平臺，而用戶則應在滿足設備加工要求前提下，最大限度地在速度和定位精度兩者尋求恰當數(shù)值。三菱MR—J3系列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應用選擇空間；另外提供三個擴展參數(shù)，作為電子齒輪的分子數(shù)據(jù)，可以通過驅動器兩個輸入端子功能設置，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)值結構可以看出，作為分子分母的兩個用戶參數(shù)是整數(shù)，然而它必須通過公式演算化簡，因此各有關數(shù)據(jù)取值時應充分考慮計算、化簡的可能性，便于取舍。

為了確保伺服系統(tǒng)正常運行，制造商會對“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產(chǎn)生可能的后果，比如發(fā)出異常噪音；不能按照設定的速度或加減速時間常數(shù)運行；甚至影響定位精度，等等，一旦出現(xiàn)這些情況須在減速機速比、負載位移量（周長、角度、行程）及指令單位取值等方面厘清主次，尋求平衡。