关于伺服的问与答

davidyu

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。

交流伺服电机与普通电机有很多区别

1、根据电机的不同应用领域，电机的种类很多，交流伺服电机属于控制类电机。伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。伺服电机的构造与普通电机是有区别的，带编码器反馈闭环控制，能满足快速响应和准确定位。

现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几Kw以上的同步伺服电机价格很贵，在这样的现场应用，多采用交流异步伺服电机，往往采用变频器驱动。

2、电机的材料、结构和加工工艺，交流伺服电机要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机）。就是说当伺服驱动器输出电流、电压、频率变化很快时，伺服电机能产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机。当然不是说变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频器的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。

3、交流电机一般分为同步和异步电机：
　　（1）、交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的变化，转子也做响应频率的速度变化，而且转子速度=定子速度，所以称“同步”。
　　（2）、交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子的变化，一旦等于就没有变化的磁场切割转子的感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。。。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。
　　（3）、对应交流同步和异步电机，变频器就有相应的同步变频器和异步变频器，伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服。当然变频器里交流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。

4、交流伺服电机与普通电机还有很多区别，可以参考一下《电机学》方面的书籍；普通电机通常功率很大，尤其是启动电流很大，伺服驱动器的电流容量不能满足要求。可从电机的尺寸就知道原因了。

通用伺服和数控专用伺服有什么区别吗？

简单点说：数控专用伺服是指伺服和数控系统之间是封闭的，数控专用伺服是不能应用在其它上位机（如发脉冲，模拟量命令）的场合。而通用伺服（讲泛用型伺服更专业）只能接受脉冲或模拟量命令的上位机，通用伺服是没有办法应用在带专用伺服的数控系统上。举个例子：西门子802C（或S）是能带通用型伺服的，但810、840就不行了，你非得用它自已的专用伺服不可。至于国产的数控系统或台湾产的数控系统，它们发的控制命令一般都是脉冲或模拟量（发脉冲的数控算是最简单的了），所以它们都是能带用通用伺服的。
复杂点讲：数控专用伺服是一功率后级伺服，伺服驱动的很多部分已和数控系统做成一体，其发出的信号已是PWM信号,装在外部的驱动部分只是一电源及功率放大器而已。而通用型伺服却不同，其各种回路（如位置，速度，电流）及运算全做在驱动器里，包括电机的参数。
讲几点实际应用上的区别：专用伺服的参数调试一般是在数控系统里调试，而通用型伺服需要在伺服驱动器上调试。
专用型伺服电机部分编码器反馈是直接接回数控系统的（因外部只是一电源及放大器而已），而通用型伺服却必需接回驱动器部分。
专用型伺服电机编码器线数很多是上百万线的，可是通用型的伺服和其相比有较大差距，一般也就是2500及17BIT。（上百万用得到吗？价格谁能接受得来呀?）
在高速高精的机床应用场合，非得用专用型伺服及数控不可，台湾及国产的数控系统加通用型伺服可做不了（至少现在不行），东西不在于有多高端，而在于你应用于什么场合嘛。
这就是为什么高端数控系统都带专用型伺服（优点很多，不说了），三菱分CNC及通用伺服两部门也就容易理解了。
准确的说伺服没有数控机床专用和通用伺服之分，只要伺服驱动器有速度控制模式，都可以用于数控机床上，区别在于控制的效果（加工效果）不同而已。好的数控机床伺服器可以使机床有很好的静态误差和动态误差（跟随误差），小的分辨率。这就要求伺服电机有很小的惯量、快的加/减速度、高的分辨率等。

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。

有关伺服零点开关的问题。

其实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。这种回原点方法无论你是选择机械式的接近开关，还是光感应开关，回原的精度都不高，就如一网友所说，受温度和电源波动等等的影响，信号的反应时间会每次有差别，再加上从回原点的高速突然减速停止过程，可以百分百地说，就算排除机械原因，每次回的原点差别在丝级以上。
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。
三、此种回原方法是最精准的，主要应用在数控机床上：电机先以第一段高速去找原点开关，有原点开关信号时，电机马上以第二段速度寻找电机的Z相信号，第一个Z相信号一定是在原点档块上（所以你可以注意到，其实高档的数控机床及中心机的原点档块都是机械式而不会是感应式的，且其长度一定大于电机一圈转换为直线距离的长度）。找到第一个Z相信号后，此时有两种方试，一种是档块前回原点，一种是档块后回原点（档块前回原点较安全，欧系多用，档块后回原点工作行程会较长，日系多用）。以档块后回原为例，找到档块上第一个Z相信号后，电机会继续往同一方向转动寻找脱离档块后的第一个Z相信号。一般这就算真正原点，但因为有时会出现此点正好在原点档块动作的中间状态，易发生误动作，且再加上其它工艺需求，可再设定一偏移量；此时，这点才是真正的机械原点。此种回原方法是最精准的，且重复回原精度高。
至于工件原点和机械原点完全是两码事，知道的人很多，在此就不多说了。

使用原点开关要实现比较可靠的回零，建议如下动作:

以高速向原点开关方向运动，发现原点开关信号改变时（上升沿）减速停止，低速反向运动，以原点开关信号改变（下降沿）的位置为零点。
由于系统的任何部分都存在不同程度的延迟和滞后，所以高速回零很难保证重现性。而回零动作开始时，不可能知道零点有多远，直接低速找零太缺乏效率。
如果要靠编码器的Z脉冲找零，按照上面的方式就好，另外，就是要小心Z脉冲与挡块边沿接近的情况，我曾看到过一次很精确的回零误差，整整一个丝杠螺距。

最终是把连轴结重装了一次，问题解决了。注意：不是把丝杠拆下来，只是把连轴结松开，转一下，再装好，这个，现场较容易做到。

还有！这种问题把连轴结重装一次是种冶标不治本的处理办法，让原点档块的长度大于一个丝杆螺距才是最根本解决办法。你可以去看看回原精度要求高的数控机床，原点档块一定是大于一个丝杆螺距的。
假如你对回原有观察，不过还要再观察细点，找Z的话，一定是找脱离原点档块后的第一个Z，注意是脱离原点档块后，可以是档块前脱离，也可是档块后脱离，就像我前面说的，档块前回原安全性高，档块后回原有较行程长，前种欧系床多用，后者日系床多用。
至于有时运气好时，脱离档块后的第一个Z相信号正好在脱离时的中间状态，有句行话叫（扎各量），这时你初次调试时设个原点偏移量此问题就解决了。所有稍好点的数控系统都有此值可设定。
数控机床中采用减速开关 + Z 脉冲回零出现非常精确一个螺距的误差，这是调试中常遇到的事情。主要的原因的确是减速信号触发的同时，刚好也是一转信号发出的时候。解决的最简单方法是稍微移动一点档块的位置，或者在数控系统的参数中设置一个偏移量来避开。
至于所谓回零的机械挡块，曾经做过这样的台子，原点是光电开关，信号的有效长度只有几毫米，一般在高速回零时都会冲过。只用这个开关做原点，回零的重现性据说只有几个微米（用户自己用干涉仪测的）。

正如一网友所说，只有先找机械开关，再找编码器Z相信号，这样可以始终找到唯一原点，而且从电机角度讲是没有误差的，如果有误差，那是系统误差，与原点没有关系，如果还感觉不能满足要求，那就只能使用光栅尺或磁栅尺做大闭环了，由光栅尺原点来定，还有一个办法就是采用绝对值编码器，不过也是只到电机段，系统误差只能由机械精度保证，只有全闭环能反应真正的原点。

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

davidyu

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。

一般说驱动器控制的好不好，每个厂家的都说自己做的最好，但是现在有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。当转矩控制或者速度控制时，通过脉冲发生器给他一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时的频率的高低，就能显示出谁的产品牛了，一般的电流环能作到1000Hz 以上，而速度环只能作到几十赫兹。

换一种比较专业的说法：

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。
4、谈谈3环，伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。
第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。



位置环的作用？何谓“前馈环节”？何谓比例(P)调节器？作用是什么？

对一个全闭环控制伺服运动控制系统而言，上位机(数控系统)对G指令等数控文件进行解读，进行轨迹的插补运算，输出控制伺服电机，此时，伺服电机驱动器是运行在速度控制模式，伺服电机驱动器只是做简单的速度跟踪(上位机输出的电压值与伺服电机电压输入值成线性关系)。
为了避免机械冲击和提高系统的稳定性，伺服系统的位置环通常采用简单比例控制，而速度环和电流环则采用PI控制，因此机械系统是一个位置跟随器，在不考虑起始与结束的情况下，其跟随误差正比与指令速度，对于恒速度指令，其跟随误差是一个常量（假设无干扰），因此其控制器输出－－速度，也是恒定的。
伺服控制单元都是商品化的，通常是不开发的。但可以通过参数设定来改变，不知你所接触的伺服系统使用在哪方面，我所接触的用在机床方面，前馈控制既跟随误差可以通过数控系统的参数设定实现。
位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令，当电机初始起动后(大偏差区域)，应产生最大速度指令，使电机加速并以最大速度恒速运行，在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。为避免超调，位置环的调节器应设计为单纯的比例(P)调节器，为了系统能实现准确的等速跟踪，位置环还应设置前馈环节。

还有一些补充：
1.偏差是控制器（或者称校正器）的输入，控制器的输出是控制量，控制量只有为零时，电机才能以恒速运行（无外扰的情况下），通常也就是输入量为常值。这种情况也只有进入稳态后才发生，如果于输入信号非稳定，则不可能是恒速。
2.P是导致超调最直接的原因，因为P增大，通频带展宽，动态响应快，超调随之增大。位置环里校正器完全可是任何校正器，只要能保证动态和稳态性能即可。比例校正只是最简单的一种校正形式。校正器不但可以线性的，还可以是非线性的，比例还只是最简单的线性校正。
3.前馈也完全可以不用，如果系统设计的好。前馈是为了加快速度响应而引入的，没有反馈，完全不能使用，对于某些系统，引入前馈不但不能加快速度响应，还导致有静差存在。

如果你列出传函，看一下前馈对极点的影响就明白了。
前馈是指根据指令的偏差控制，当一个系统处在跟随误差较大的运动阶段时（运行速度较快），可以加入前馈环节，有助于提高响应速度和改善轨迹控制中的拐角处的工艺特性。
一个典型的复合PID控制简述如下：
设跟随误差e的阈值为a，则
if e>a Then P+前馈
else if 指令增量为零（进给保持阶段）then PID
else P或PD
　　
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。

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）。