教你如何去选择伺服驱动电机

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　　1．关于伺服的应用。有很多方面，连一个小小的电磁调压阀，也可以算上一个伺服系统。其他伺服应用如火炮或雷达，用作随动，要求实时性好，动态响应快，超调小，精度在其次。如果是机床，则经常用作恒速，位置高精度，实时性要求不高。
　　首先得确定你应用在什么场合。如果用在机床上，则控制部分硬件可以设计得相对简单一些，成本也相应低些。如果用于军工，则内部固件设计时控制算法应该更灵活，比如提供位置环滤波、速度环滤波、非线性、最优化或智能化算法。当然不需要在一个硬件部分上实现。可以面向对象做成几种类型的产品。
　　交流伺服在加工中心、自动车床、电动注塑机、机械手、印刷机、包装机、弹簧机、三坐标测量仪、电火花加工机等等方面的设备有广阔的应用。
　　2．关于步进电机和交流伺服电机的性能有较大差别。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
　　虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。如：1、制精度不同；2、低频特性不同 3、矩频特性不同 4、过载能力不同 5、运行性能不同 6、速度响应性能不同。
　　交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
　　3．有关伺服零点开关的问题。找零的方法有很多种，可根据所要求的精度及实际要求来选择。可以伺服电机自身完成（有些品牌伺服电机有完整的回原点功能），也可通过上位机配合伺服完成，但回原点的原理基本上常见的有以下几种。
　　一、伺服电机寻找原点时，当碰到原点开关时，马上减速停止，以此点为原点。
　　二、回原点时直接寻找编码器的Z相信号，当有Z相信号时，马上减速停止。这种回原方法一般只应用在旋转轴，且回原速度不高，精度也不高。
　　4．同步带的安装对伺服定位也有很大影响吗。
　　这个情况，得知道伺服是不是调得很软？常见伺服是用脉冲控制的，那么，位置环的比例增益，速度环比例增益、积分时间常数分别是多少？
　　位置环比例增益：21rad/s
　　速度环比例增益：105rad/s
　　速度环积分时间常数：84ms
　　5．关于伺服的三种控制方式，一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的？
　　速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。
　　如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
　　如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
　　就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
　　对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
　　换一种说法是：
　　1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm：如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
　　应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
　　2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
　　应用领域如数控机床、印刷机械等等。
　　3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
　　6．怎样判断伺服电机与伺服驱动器的故障区别？
　　看驱动器上的错误、报警号，然后查手册。如果连报警都没有了，那自然就是驱动器故障，当然，还有可能是根本伺服就没有故障，而是控制信号错误导致伺服没有动作。
　　除了看驱动器上的错误、报警号，然后查手册外，有时最直接判断方法是更换，如X与Z轴伺服换（型号相同才可以）。或修改参数，如把X轴锁住，不让系统检测X轴
　　但应注意：X轴与Z轴互换，即使型号相同，进口设备也可能因为负载不同、参数不同而产生问题。当然，如果是国产设备，通常不会针对使用情况调整伺服参数，一般不会有问题。但应注意X轴与Z轴电机功率转矩是否相同、电机丝杆是否直联以及电子齿轮减速比方面事宜。
　　7．关于交流伺服电机的几个问题：
　　问（A）：交流同步伺服、交流异步伺服的额定转速与极数是否有关？n1=60f/2p？额定转速以下输出恒转矩，额定转速以上恒功率，那么额定转速的界定是由电机本身的机械决定还是驱动器来决定？
　　有关，同步转速n1=60f/2p，异步机还有滑差s，n=（1-s）n1，同步机n=n1，2p为极对数。控制中弱磁速度的界定是由驱动器判断的。
　　额定转速可以由几个方面决定：同步伺服的反电势高低、电机铁心材料允许的驱动电流交变频率、额定转矩下电机的最大功率、最高温升等，最主要还是反电势；异步电机主要受材料允许的最高频率以及极对数限制。
　　额定转速的界定由电机本身的机械和电器特性来决定。
　　问（B）：交、直流伺服的区分是否取决于驱动器与电机间的电流或电压的形式？但直流无刷伺服的电流方向也变化？是否可以理解为交流？交流伺服是否是以直流无刷伺服的原理为基础演变的？
　　答：交流伺服通常指以正弦波驱动方式的伺服，无刷驱动相当于整流子数为6（7）的有刷直流电机的控制精度，一般低速特性较差。商业上也有称他为交流伺服，仅因为他甩掉了电刷，但特性恐怕比好的交流伺服、直流伺服有差距，10000倍的调速比无刷电机绝难达到。
　　直流无刷马达其实是自控式永磁同步马达的一种，不过是矩形波供电，而通常说的永磁同步马达是正弦波供电的。之所以说是“直流电机”，主要考虑到无刷马达的控制器相当于直流有刷马达的电刷和换向器，实现“电子换向”，从直流母线侧看相当于直流电机。
　　直流伺服用于直流电机，不是直流无刷电机；直流无刷电机与交流伺服电机其实是一回事，就是交流同步电机（交流永磁同步伺服电机）。
　　问（C）：电机的极对数？
　　答：n1=60*f/2p
　　p一般表示电机的极对数数，2p是极数。
　　1对极包括N极和S极，极数当然是极对数的两倍。
　　同步电机机械转速=60*运行频率/极对数；
　　异步电机机械转速=60*运行频率*（1-滑差率）/极对数
　　8，如何正确选择伺服电机和步进电机？
　　主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，亦或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。
　　9，选择步进电机还是伺服电机系统？
　　其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。
　　步进电机系统 伺服电机系统
　　力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小、中、大，全范围
　　速度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达1~2万转/分
　　控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式
　　平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑
　　精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率）
　　矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬
　　过载特性 过载时会失步 可3~10倍过载（短时）
　　反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步 闭环方式，编码器反馈
　　编码器类型 - 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型
　　响应速度 一般 快
　　耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动）
　　温升 运行温度高 一般
　　维护性 基本可以免维护 较好
　　价格 低 较高
　　10，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？
　　直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
　　有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
　　无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
　　交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大。目前技术已有厂家可以做到很大的功率。
　　11，使用电机时要注意的问题？
　　上电运行前要作如下检查：
　　1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；
　　2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；
　　3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。
　　4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。
　　5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。
　　12，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？
　　一般要考虑以下方面作检查：
　　1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大50%~100%的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。
　　2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要》10mA），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。
　　3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。
　　4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。
　　5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。
　　13， 我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？
　　可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如S加速、多轴插补等。
　　14， 用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？
　　一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环形或R型变压器变压的直流电源。
　　15， 伺服电机的码盘部分可以拆开吗？
　　禁止拆开，因为码盘内的石英片（玻璃码盘）很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。
　　伺服电机工作时带动动光栅高速旋转（可达3000rpm或更高），动光栅和静光栅之间只有十几丝的间隙，再加上电机运行时有震动、电机轴承油隙形成电机轴“串动”等，故动静光栅安装的要非常平行、平整、运行平稳，否则动光栅和静光栅的相对运动就容易磨擦，造成电机编码器故障（俗称“刮盘”）而且无法修复只能将电机内的编码器报废。
　　由此也不难理解，安装编码器的伺服电机的后壳部分都有明显标识：禁止敲击！
　　但实际应用中，还是有用户因种种原因，电机安装/或拆卸时用榔头敲，这样很容易造成电机码盘损坏。
　　16，步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？
　　不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电机力矩大大下降。
　　17，几台伺服电机可以作同步运行吗？
　　可以的。
　　18，伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？
　　部分功能较强的伺服驱动器是可以的，如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。
　　19，可以将国产的驱动器或电机和国外进口的电机或驱动器配用吗？
　　原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决定。
　　20，驱动器和系统如何接地？
　　a. 如果在交流电源和驱动器直流总线（如变压器）之间没有隔离的话，不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压并不是对大地的，在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。
　　b. 在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点上产生电流。
　　c. 为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。 它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作（如：编码器的5V电源）。
　　d. 屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。
　　21， 减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点？
　　如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远超过减速器的转矩等级。 如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，减速器的内部齿轮会有太多组合（体积较大、材料多）。 这样会使得产品价格高，且违反了产品的“高性能、小体积”原则。
　　考虑到交流伺服驱动器内部在位置指令模式下，还有电子齿轮（电子齿轮比G：推荐范围1/50≤G≤50），可以很方便地和各种脉冲源相匹配，以达到用户理想的控制分辩率（即角度/脉冲）。
　　通过和机械减速器配合，既可实现精确定位，又可满足超大转矩连续输出。
　　22，如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器？
　　行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转矩，而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好。正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。
　　23， 对普通电机而言，何为负载率（duty cycle）？
　　负载率（duty cycle）是指电机在每个工作周期内的工作时间/（工作时间+非工作时间）的比率。如果负载率低，就允许电机以3倍连续电流短时间运行，从而比额定连续运行时产生更大的力量。
　　24，如何选用电动机、滑台、精密平台类产品？其成本是如何计算的？
　　选择运动执行器类产品关键要看你对运动参数有什么样的要求，可以根据你的需要来确定具体运动参数等技术条件，这些参数要符合你实际需要，既要满足应用要求并留有余地，也不要提得太高，否则其成本可能会数倍于标准型产品。举例来说，如果0.1mm精度够用的话，就不要选0.01mm的参数。其它如负载能力、速度等也是如此。
　　另外一个选型建议是，如果不是必须，推拉力或负重、速度、定位精度这三个主要参数不要同时要求很高，因为运动执行机构是一个高精度高技术的机电一体化产品，在设计制造时需要从机械结构、电气性能、材料特性、材质和处理方法等多方面考虑并选择相应的组成电机、驱动控制器和反馈装置，以及不同精度等级的导轨、丝杆、支撑座和其它机械系统，使之达到需要的整体运动参数，可谓牵一发动全身。当然，如果确有高要求的使用需要，还是可以满足，只是成本会相应的提高。