三菱伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)和應用介紹

第1章 什么是伺服？

1.1伺服的作用

將物體移動到規(guī)定的位置，或者跟蹤一個運動的目標時，經(jīng)常能聽到“伺服”這個詞。“伺服（Servo）機構(gòu)”一詞的詞源據(jù)說來自拉丁語中的“Servus”，即“奴隸”的意思。表示完全按照指令行動而構(gòu)建的控制系統(tǒng)。利用伺服機構(gòu)可進行位置、速度、轉(zhuǎn)矩的單項控制及組合控制。 位置控制 可正確地移動到指定位置，或停止在指定位置。位置精度有的已可達到微米（μm：千分之一毫米）以內(nèi)，還能進行頻繁的起動、停止。

速度控制 目標速度變化時，也可快速響應。即使負載變化，也可最大限度地縮小與目標速度的差異。能實現(xiàn)在寬廣的速度范圍內(nèi)連續(xù)運行。

轉(zhuǎn)矩控制 即使負載變化，也可根據(jù)指定轉(zhuǎn)矩正確運行?！D(zhuǎn)矩是使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的“力”。

為了實現(xiàn)既靈敏又高精度的動作，始終確認自己的動作狀態(tài)，避免與指令發(fā)生偏差而不斷進行反饋（feed back），這就是伺服機構(gòu)的特點。如何進行控制以縮小指令信號與反饋信號之差至關(guān)重要。 JIS中“伺服機構(gòu)”的定義:“以物體的位置、方位、姿勢等作為控制量，為跟蹤目標的任何變化而構(gòu)建的控制系統(tǒng)” 伺服機構(gòu)大致由下列各部分組成。

實際的機構(gòu)雖然也有液壓式和氣壓式的，但最近廣泛使用維護性能優(yōu)良的電氣式伺服機構(gòu)。

電氣式伺服機構(gòu)中尤其與FA相關(guān)的精密控制中，經(jīng)常使用AC伺服系統(tǒng)。

而且，伺服電機常帶有可檢測旋轉(zhuǎn)角度、速度和方向的編碼器，它可將檢測信息反饋給伺服放大器（控制部）。

[ 伺服電機的種類 ] 普通的伺服電機有SM（同步）型AC伺服電機、IM（感應）型AC伺服電機和DC伺服電機3種。
與FA相關(guān)的伺服電機，尤其是需求量大的中、小容量，由于下列原因通常說到伺服一般都是指SM型AC伺服電機。

1.2編碼器的種類 <增量編碼器與絕對編碼器> 最新的伺服電機多采用停電后無需進行原點復歸的絕對編碼器。絕對編碼器中有檢測電機旋轉(zhuǎn)1圈內(nèi)所處位置的絕對位置檢測部和計算旋轉(zhuǎn)了幾圈的多圈檢測部。為了防止多圈檢測數(shù)據(jù)在停電時丟失，由電池維持數(shù)據(jù)。
下圖為光學式編碼器的原理說明。最近，各公司已對分辨率極高（也有超過100萬［脈沖/轉(zhuǎn)］）的編碼器實現(xiàn)了產(chǎn)品化。通常，光學式編碼器用于追求小型化或高分辨率等特性的應用領(lǐng)域，在特別追求耐環(huán)境性能（耐污染性能強等）的應用領(lǐng)域，有時也使用磁力式編碼器

1.3伺服的原理和構(gòu)成 伺服系統(tǒng)的最大特點是“比較指令值與當前值，為了縮小該誤差”進行反饋控制。 反饋控制中，確認機械（控制對象）是否忠實地按照指令進行跟蹤，有誤差（偏差）時改變控制內(nèi)容，并將這一過程進行反復控制，以到達目標。 注意到該控制流程是：誤差→當前值→誤差，形成一個閉合的環(huán)，因此也稱為閉環(huán)（CLOSED LOOP）。
反之，無反饋的方式，則稱為開環(huán)（OPEN LOOP）。

根據(jù)指令值的不同，伺服系統(tǒng)的控制模式有以下3種。 （1） 位置控制模式

（2） 速度控制模式

（3） 轉(zhuǎn)矩控制模式 有的伺服產(chǎn)品，還可在運行過程中切換模式。

此外，最近有一種稱為“運動控制”的控制方式也開始被采用，它適用于由1臺控制器對多個軸進行同時控制的多軸同步控制。 伺服的控制環(huán) 從信號的流程著眼，伺服的構(gòu)成如下圖所示。

在AC伺服系統(tǒng)中，對裝在伺服電機上的編碼器所發(fā)出的脈沖信號或伺服電機的電流進行檢測，將結(jié)果反饋至伺服放大器，并根據(jù)這個結(jié)果按照指令來控制機械。 該反饋有以下3種環(huán)。

各環(huán)都朝著使指令信號與反饋信號之差為零的目標進行控制。
各環(huán)的響應速度按下述順序漸高。 （位置環(huán)）＜（速度環(huán)）＜（電流環(huán)） 各控制模式中使用的環(huán)如下所示。

[ 位置控制模式 ] (a) 定位控制的目標 FA設(shè)備中的“定位”是指工件或工具（鉆頭、銑刀）等以合適的速度向著目標位置移動，并高精度地停止在目標位置。這樣的控制稱為“定位控制”。
可以說伺服系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)這種“定位控制”的目的。

定位控制的要求是“始終正確地監(jiān)視電機的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”，為了達到此目的而使用檢測伺服電機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的編碼器。
而且，為了使其具有迅速跟蹤指令的能力，伺服電機選用體現(xiàn)電機動力性能的起動轉(zhuǎn)矩大而電機本身慣性小的專用電機。 伺服系統(tǒng)的定位控制基本特點如下所述。 ?機械的移動量與指令脈沖的總數(shù)成正比。 ?機械的速度與指令脈沖串的速度（脈沖頻率）成正比。 ?最終在±1個脈沖的范圍內(nèi)定位即完成，此后只要不改變位置指令，則始終保持在該位置。
（伺服鎖定功能）

因此，伺服系統(tǒng)中的位置精度由以下各項決定。 ?伺服電機每轉(zhuǎn)1圈機械的移動量 ?伺服電機每轉(zhuǎn)1圈編碼器輸出的脈沖數(shù) ?機械系統(tǒng)中的間隙（松動）等誤差 [ 速度控制模式 ] 伺服系統(tǒng)的速度控制特點：可實現(xiàn)“精細、速度范圍寬、速度波動小”的運行。 (a) 速度加速·減速常數(shù)設(shè)定

可調(diào)整加減速運動中的加速度（速度變化率），避免加速、減速時的沖擊。 (b) 速度控制范圍寬 可進行從微速到高速的寬范圍的速度控制。
（1：1000～5000左右）速度控制范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩特性。 (c) 速度變化率小 即使負載有變化，也可進行小速度波動的運行。 [ 轉(zhuǎn)矩控制模式 ] 轉(zhuǎn)矩控制就是通過控制伺服電機的電流，以達到輸出目標轉(zhuǎn)矩的控制。 <以收卷控制為例> (a) 進行恒定的張力控制時，由于負載轉(zhuǎn)矩會因收卷滾筒半徑的增大而增加，因此，需據(jù)此對伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行控制。

(b) 卷繞過程中材料斷裂時，將因負載變輕而高速旋轉(zhuǎn)，因此，必須設(shè)定速度限制值。

第2章 變頻器與伺服有什么區(qū)別? 2.1用途、規(guī)格的區(qū)別

（通用）變頻器與（通用）伺服在使用目的、功能方面存在本質(zhì)上的差異。選擇哪一個取決于運行模式、負載條件、價格等因素。

2.2基本構(gòu)成的比較 大致分為進行電力變換的主回路和指示如何進行變換的控制回路。

(1) 變頻器的基本構(gòu)成

各部分的作用如下。

(2) 伺服的各基本構(gòu)成部分作用如下。

2.3由變頻器變更為伺服 基本上伺服的性能比變頻器優(yōu)越。

因此，由變頻器變更為伺服時，一般不會產(chǎn)生運行方面的問題。但是，必須考慮下列幾點。

（1）機械側(cè)的剛性 伺服的最大轉(zhuǎn)矩大約是變頻器的2倍。因此，如果機械結(jié)構(gòu)比較脆弱，加、減速時可能會產(chǎn)生振動（振蕩現(xiàn)象）。此時，須采取加固機械結(jié)構(gòu)、減小伺服系統(tǒng)的增益（控制靈敏度）等措施。 三菱電機的某些伺服產(chǎn)品在伺服放大器控制環(huán)路中內(nèi)置了濾波器功能，在機械容易振動的頻率（共振頻率）附近能自動調(diào)小伺服系統(tǒng)的增益，使設(shè)備具有抑制振動的功能。 （2） 換算到電機軸的負載慣性大?。☉T性） 與變頻器相比，伺服對于負載慣性的大小很敏感。

相對于電機本身的轉(zhuǎn)動慣量，如果負載的轉(zhuǎn)動慣量過大，則電機軸會被負載拖著旋轉(zhuǎn)，從而導致控制不穩(wěn)定。 因此，根據(jù)機械負載選擇合適的伺服容量至關(guān)重要。 以穩(wěn)定性為目標，相對于電機本身的轉(zhuǎn)動慣量，希望負載轉(zhuǎn)動慣量（換算到電機軸）的倍數(shù)小于該電機的“推薦負載轉(zhuǎn)動慣量比”。

（3） 電機軸的振動 安裝電機的部位發(fā)生機械性振動時，會給電機的轉(zhuǎn)軸帶來影響。

尤其對內(nèi)置編碼器的伺服電機，有時必須采取降低振動的措施。 （4） 減速機構(gòu)的打滑 有V形帶減速機構(gòu)的系統(tǒng)，為了使皮帶傳動部分不打滑，必須采取一些措施，如同步帶等。

審核編輯：郭婷