伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)速與干擾防御措施

伺服電機(jī)（servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機(jī)作為自動(dòng)化工廠的動(dòng)力肌肉，在工控設(shè)計(jì)與維護(hù)當(dāng)中是無(wú)法避免的，那么今天就伺服的轉(zhuǎn)速控制與抗干擾措施進(jìn)行一下總結(jié)學(xué)習(xí)。

常用的伺服電機(jī)分很多種，選型也不是一件簡(jiǎn)單的事，每一種伺服都熟練，對(duì)于我們的學(xué)習(xí)是有非常大壓力的，只能采取的措施是，選用自己平時(shí)工作中能遇到最多的型號(hào)來(lái)學(xué)習(xí)，順便了解市場(chǎng)上使用比較多的幾種型號(hào)品牌。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)囊磺В磺?，三千不同，我們按使用最多?000RPM交流伺服來(lái)代表。

在實(shí)際使用當(dāng)中，選擇了一臺(tái)或者正在使用的一臺(tái)伺服是3000RPM，需要的轉(zhuǎn)速是0-3000變速，那么可以通過(guò)哪些手段來(lái)改變當(dāng)前伺服轉(zhuǎn)速。

伺服速度的調(diào)整需要看是使用什么方式來(lái)控制，以及控制方式的選擇，是使用脈沖控制轉(zhuǎn)速，模擬量控制轉(zhuǎn)速還是直接驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定控制調(diào)整速度，對(duì)應(yīng)的方式也是不一樣的。

對(duì)應(yīng)三種不同的控制方式來(lái)總結(jié)一下速度改變：

1 轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)速是自由的（隨負(fù)載變）

轉(zhuǎn)矩控制是平時(shí)使用比較多的一種控制方式，通過(guò)外部模擬量或直接地址賦值來(lái)設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩的大小，那么對(duì)應(yīng)的速度我們是不一定的，因?yàn)樵O(shè)備老化摩擦系數(shù)的變化，負(fù)載的變化，都會(huì)影響到速度的輸出，這種使用情況下我們基本不會(huì)需要調(diào)整速度，因?yàn)槭亲詣?dòng)調(diào)節(jié)，我們需要的是系統(tǒng)的穩(wěn)定度，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。

可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，使用伺服的目的是防止纏繞物料的變化改變受力。

2 位置控制，精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)速與扭矩均可嚴(yán)格控制

位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。

位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

在使用當(dāng)中需要了解PLC或者其他發(fā)送脈沖額定頻率是多少？20KHz，100KHz，200KHz，實(shí)際需要移動(dòng)的距離，對(duì)應(yīng)伺服選定的脈沖當(dāng)量，就可以計(jì)算出伺服移動(dòng)到指定位置的上限運(yùn)行速度和時(shí)間。

伺服上線速度是必須計(jì)算出來(lái)的，只有選擇合適的伺服型號(hào)才能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

伺服上線運(yùn)行速度=指令脈沖額定頻率×伺服上限速度

伺服控制器一般帶有編碼器，并可接收編碼器接收反饋脈沖，在速度環(huán)上設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率，

設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率=編碼器周反饋脈沖數(shù)×伺服電機(jī)設(shè)定速度（r/s）

又因?yàn)橹噶蠲}沖頻率=編碼器反饋脈沖頻率/電子齒輪比，

所以也可以設(shè)定“指令脈沖頻率”，來(lái)設(shè)定伺服電機(jī)速度。

3、速度模式，轉(zhuǎn)矩是自由的（隨負(fù)載變）

通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。

速度模式相對(duì)位置模式相對(duì)應(yīng)，位置信號(hào)存在誤差，位置模式的信號(hào)由終端負(fù)載檢測(cè)裝置提供，減少中間傳動(dòng)誤差，相對(duì)增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

速度控制模式主要采用的是0-10電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，模擬量幅值的大小決定了給定速度的大小，正負(fù)決定電機(jī)應(yīng)關(guān)系取決于速度指令增益，在負(fù)載慣量大的場(chǎng)合使用速度模式，需要設(shè)定速度環(huán)增益，讓系統(tǒng)響應(yīng)更迅速。調(diào)整時(shí)需要兼顧設(shè)備的振動(dòng)，不能因?yàn)轫憫?yīng)速度而產(chǎn)生系統(tǒng)振動(dòng)。

使用速度控制時(shí)，還需注意加減速的設(shè)定，如果沒(méi)有閉環(huán)控制時(shí)，需要通過(guò)零鉗位或比例控制使得電機(jī)完全停止。用上位機(jī)作位置閉環(huán)時(shí)，模擬量不能自動(dòng)調(diào)零。

通過(guò)控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送+/-10V的模擬電壓指令控制速度，其優(yōu)點(diǎn)是伺服響應(yīng)快，但缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾較敏感，調(diào)試稍復(fù)雜。速度控制的應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)廣：需要快速響座的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)；由上位閉環(huán)的定位系統(tǒng)；需要多段速度進(jìn)行快速切換的系統(tǒng)。

在伺服系統(tǒng)的使用和調(diào)試過(guò)程中，會(huì)不時(shí)發(fā)生各種意外的干擾，特別是對(duì)于發(fā)送脈沖的伺服電機(jī)的應(yīng)用。下面將從幾個(gè)方面對(duì)干擾的類型和產(chǎn)生方式進(jìn)行分析，以達(dá)到有針對(duì)性的抗干擾目的，希望大家共同學(xué)習(xí)和研究。

1、來(lái)自電源的干擾

現(xiàn)場(chǎng)使用條件會(huì)有各種限制，通常會(huì)遇到很多復(fù)雜情形，需要做到習(xí)慣性避免，把問(wèn)題原因盡可能的規(guī)避。

很多情況下，我們會(huì)通過(guò)增加穩(wěn)壓器，隔離變壓器等設(shè)備，給旋轉(zhuǎn)編碼器的供電模塊和運(yùn)動(dòng)控制器加濾波器,驅(qū)動(dòng)器改接DC電抗器, 驅(qū)動(dòng)器位置低通濾波時(shí)間和載波率參數(shù)更改，減少電源引入引起的干擾，避免伺服控制系統(tǒng)故障。

伺服系統(tǒng)動(dòng)力線應(yīng)單獨(dú)走線槽，縮短驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)動(dòng)力線距離等等手段，避免干擾控制線，引起驅(qū)動(dòng)器故障。

2、來(lái)自接地系統(tǒng)混亂的干擾

接地是提高電子設(shè)備抗干擾的有效手段，能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾，也避免受外部干擾影響，但是錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作?？刂葡到y(tǒng)的地線一般包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。

如果接地系統(tǒng)混亂，對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，電纜屏蔽段兩端，接地線，大地，其他設(shè)備接地點(diǎn)等不同接地點(diǎn)間存在電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。

解決此類干擾的關(guān)鍵就在于分清接地方式，為系統(tǒng)提供良好的接地性能。

伺服做好的接地線注意環(huán)境電磁兼容，對(duì)高頻電磁波、射頻裝置等加以屏蔽；電源噪聲干擾源要加以抑制、剔除，比如同一個(gè)電源變壓器上或者配電母線上不要有諸如高頻，中頻，大功率的整流和逆變用電裝置等......

介紹一個(gè)非常規(guī)接地處理，因?yàn)榕潆娋€路不可避免的存在大干擾源，驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)安裝在柜子里，安裝板使用非金屬板，把與伺服驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的地線都懸浮，其他的測(cè)量系統(tǒng)可靠接地，這樣可能要好一點(diǎn)。

3、來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。

信號(hào)線及控制線應(yīng)選用屏蔽線，這樣對(duì)防止干擾有利。

當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，例如距離超過(guò)100 m，導(dǎo)線截面應(yīng)放大些。

信號(hào)線及控制線最好穿管放置，避免與動(dòng)力線相互干擾。

傳輸信號(hào)以選用電流信號(hào)為主，電流信號(hào)的衰減與抗干擾相對(duì)較好。實(shí)際應(yīng)用中傳感器輸出多是電壓信號(hào)，可以通過(guò)變換器轉(zhuǎn)換。

對(duì)模擬弱電路的直流電源進(jìn)行濾波，可以加兩個(gè)0.01uF(630V)電容，一端接在電源正負(fù)極上，另一端接到機(jī)殼上再和大地相連。很有效果。

伺服發(fā)出吱吱聲時(shí)，輸出高頻諧波干擾，可以在伺服驅(qū)動(dòng)母線電源的P、N端分別接個(gè)0.1u/630v的CBB電容到機(jī)殼上試下。

板卡端控制線的屏蔽層接板卡的0V，驅(qū)動(dòng)器端不接，只需將屏蔽層撥出一段，捻成一股暴露在外面。使用電磁EMI濾波器，控制線上焊抗干擾電阻，或者電機(jī)動(dòng)力線上接磁環(huán)。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的工況條件要復(fù)雜的多，只能是具體問(wèn)題具體分析，但是最終都會(huì)有一個(gè)圓滿的解法，只不過(guò)是過(guò)程經(jīng)歷不同罷了!

來(lái)源：?jiǎn)⒊套詣?dòng)化培訓(xùn).

審核編輯 黃昊宇