伺服系統(tǒng)有哪幾種控制模式？自動化設(shè)備行業(yè)選擇伺服電機(jī)的方式！
步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號)，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
1控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分后步距角更小。如某公司生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
2低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。
交流伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT)，可檢測出機(jī)械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。
3矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
4過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以某交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
5運行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
6速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。
自動化設(shè)備設(shè)計中伺服電機(jī)的選擇
自動化領(lǐng)域指如今的大熱門，而伺服電機(jī)在其中占有重要地位，通常用于項目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動。自動化設(shè)備的設(shè)計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機(jī)選型問題，本文僅根據(jù)編者的實際工作經(jīng)歷做一些分享，望能夠給需要者提供一些幫助。
伺服電機(jī)是自動化領(lǐng)域中使用較為廣泛的電機(jī)，通常用于項目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動。自動化設(shè)備的設(shè)計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機(jī)選型問題，而供應(yīng)商提供的電機(jī)也是五花八門，參數(shù)多如牛毛，常常使初學(xué)者一頭霧水，本文僅根據(jù)編者的實際工作經(jīng)歷做一些分享，望能夠給需要者提供一些幫助。
1.應(yīng)用場景
自動化領(lǐng)域的控制型電機(jī)可分為伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)等。在需要較為精確的速度或位置控制的部件，會選擇伺服電機(jī)驅(qū)動。
變頻器+變頻電機(jī)的控制方式，是通過改變輸入電機(jī)的電源頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。一般只用于電機(jī)的調(diào)速控制。
伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比：
a)伺服電機(jī)使用閉環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制；
b)伺服電機(jī)使用旋轉(zhuǎn)編碼器計量精度，步進(jìn)電機(jī)使用步距角。普通產(chǎn)品級別上前者的精度可達(dá)后者的百倍數(shù)量級；
c)控制方式相似（脈沖或方向信號）。
2.供電電源
伺服電機(jī)從供電電源上區(qū)分可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。
二者還是比較好選擇的。一般的自動化設(shè)備，甲方都會提供標(biāo)準(zhǔn)的380V工業(yè)電源或220V電源，此時選擇對應(yīng)電源的伺服電機(jī)即可，免去電源類型的轉(zhuǎn)換。但有一些設(shè)備，比如立體倉庫中的穿梭板、AGV小車等，由于本身的移動性質(zhì)，大部分使用自帶直流電源，所以一般使用直流伺服電機(jī)。
3.抱閘
根據(jù)動作機(jī)構(gòu)的設(shè)計，考慮在停電狀態(tài)下或靜止?fàn)顟B(tài)下，是否會造成對電機(jī)的反轉(zhuǎn)趨勢。如果有反轉(zhuǎn)趨勢，就需要選擇帶抱閘的伺服電機(jī)。
4.選型計算
選型計算前，首先要確定的是機(jī)構(gòu)末端的位置和速度要求，再者確定傳動機(jī)構(gòu)。此時即可選擇伺服系統(tǒng)和對應(yīng)的減速器。
選型過程中，主要考慮以下參數(shù)：
4.1.功率和速度
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和最終負(fù)載的速度和加速度要求，計算電機(jī)所需功率和速度。值得注意的是，通常情況下需要結(jié)合所選電機(jī)的速度選取減速機(jī)的減速比。
在實際選型過程中，比如負(fù)載為水平運動，因為各個傳動機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)和風(fēng)載系數(shù)的不確定性，公式P=T*N/9549往往無法明確計算（無法精確計算扭矩的大?。?。而在實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)使用伺服電機(jī)所需功率最大處往往是加減速階段。所以，通過T=F*R=m*a*R可定量計算所需電機(jī)的功率大小和減速機(jī)的減速比（m：負(fù)載質(zhì)量；a：負(fù)載加速度；R：負(fù)載旋轉(zhuǎn)半徑）。
有以下幾點需要注意：
a)電機(jī)的功率富余系數(shù)；
b)考慮機(jī)構(gòu)的傳動效率；
c)減速機(jī)的輸入和輸出扭矩是否達(dá)標(biāo)，并有一定的安全系數(shù)；
d)后期是否會有加大速度的可能性。
值得一提的是，在傳統(tǒng)行業(yè)中，例如起重機(jī)等行業(yè)，使用普通的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，加速度無明確要求，計算過程使用的是經(jīng)驗公式。
注：負(fù)載垂直運行的情況下，注意把重力加速度計算在內(nèi)。
4.2.慣量匹配
要實現(xiàn)對負(fù)載的高精度控制，需要考慮電機(jī)與系統(tǒng)的慣量是否匹配。
對于為什么需要慣量匹配的問題，網(wǎng)上并沒有給出一統(tǒng)江湖的說法。個人理解有限，在這里就不解釋了。有興趣的朋友可以自行考證一下并告知一聲。慣量匹配的原則為：考慮系統(tǒng)慣量折合到電機(jī)軸上，與電機(jī)的慣量比不大于10；比值越小，控制穩(wěn)定性越好，但需要更大的電機(jī)，性價比更低。具體的計算方法如有不明白的請自行補學(xué)大學(xué)"理論力學(xué)"。
4.3.精度要求
計算經(jīng)過減速機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的變化后，電機(jī)的控制精度是否能夠滿足負(fù)載的要求。減速器或某些傳動機(jī)構(gòu)有一定的回程間隙，都需要考慮。
4.4.控制匹配
這個方面主要是與電氣設(shè)計人員溝通確認(rèn)，比如伺服控制器的通訊方式是否與PLC匹配，編碼器類型及是否需要引出數(shù)據(jù)等。
5.品牌
目前市場上伺服電機(jī)品牌眾多，性能也是千差萬別。大體來說，如果不差錢，就選用歐美的，稍微差點錢，選日本的，再次臺灣和國產(chǎn)的。不是小編崇洋媚外，是實際使用得來的教訓(xùn)。根據(jù)過往經(jīng)驗，國產(chǎn)的伺服電機(jī)本體基本性能上沒什么問題，主要伺服控制器的控制算法、集成度和和穩(wěn)定性方面有一定的差距。希望國內(nèi)廠商繼續(xù)努力，縮小與國外產(chǎn)品的差距。
值得一提的是，做自動化的設(shè)計，要學(xué)會借外力。特別是做非標(biāo)自動化，面臨太多設(shè)備的選型和計算，往往不堪重負(fù)，加班累成狗是常態(tài)?，F(xiàn)在伺服電機(jī)廠商都會提供技術(shù)支持，只要你提供給他負(fù)載、速度、加速度等參數(shù)要求，他們有一套自己的軟件自動幫助你計算并選擇合適的伺服電機(jī)，非常的方便。
