伺服系統(tǒng)位置控制中的“電子齒輪”分析

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在機械加工，冶金制造、分切輸送、機器人或機械手等領(lǐng)域，被控對象的動作越來越復(fù)雜化、多樣化，它們都涉及到各自的位置定位，并且有著越來越高的控制要求。交流伺服系統(tǒng)是目前工業(yè)自動化傳動技術(shù)的高端技術(shù)之一，它使得輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），數(shù)控技術(shù)確保執(zhí)行元件跟隨設(shè)定的指令，進行人們期望的運動。它具備有位置、速度和力矩三種控制方式，主要用于高精度的定位，可以滿足各類復(fù)雜機械位移（或轉(zhuǎn)角）變化定位要求。

◆ 對“電子齒輪”的理解

伺服系統(tǒng)一般具備三大環(huán)節(jié)：伺服電機、伺服驅(qū)動器和實施控制的上位機，上位機大都用PLC或單片機。如圖：

伺服電機是這個系統(tǒng)的執(zhí)行元件，伺服系統(tǒng)靠脈沖來定位，而位置控制的基本點是上位機依據(jù)被控對象的具體控制要求，編制程序；伺服驅(qū)動器執(zhí)行上位機程序，輸出脈沖。這樣，帶有特定程序規(guī)則的脈沖電源讓伺服電機驅(qū)使機械部件實現(xiàn)位移或轉(zhuǎn)角，完成工序作業(yè)任務(wù)。可見無論控制對象的要求千變?nèi)f化，其準確的位置定位必然與脈沖的數(shù)量和每單位脈沖期間機械部件的移動量這樣兩個要素密切相關(guān)。

就機械構(gòu)成而言，伺服電機輸出軸與負載輸入之間通常都有減速裝置，它反映了伺服電機與負載輸入之間轉(zhuǎn)速的對應(yīng)（倍率）關(guān)系，俗稱速比。由于機械結(jié)構(gòu)的特點，這樣的機械傳動系統(tǒng)一旦確立，那么減速裝置的速比就是固定的，如果需要調(diào)整，就意味可能廢除原有硬件，重新制作安裝，顯然不是很方便。能不能找到更方便且有效的途徑，讓機械系統(tǒng)的速度變化在一定的范圍內(nèi)可調(diào)整、設(shè)定呢？

微電子技術(shù)和大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了伺服驅(qū)動器，它采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心，實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，達到數(shù)字化、智能化；其功率器件采用以智能功率模塊（IPM）為核心的驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程中的浪涌電流對驅(qū)動器的沖擊。伺服驅(qū)動器的輸出電源是對交流三相或單相電進行整流，得到相應(yīng)的直流電，通過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電壓型逆變器變頻來驅(qū)動伺服電機。這樣伺服電機接受來自驅(qū)動器輸出的脈沖，在脈沖寬度的時間段內(nèi)，電機實現(xiàn)位移，一串這樣的脈沖就使得電機旋轉(zhuǎn)起來，進而驅(qū)動機械負載。由于伺服驅(qū)動器輸出電源采用了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，這種技術(shù)的特點是輸出的脈沖串不等寬，它可以根據(jù)控制信號來產(chǎn)生脈寬。如此，伺服電機的移動量就可以隨脈寬的可控特性來選擇、設(shè)定，靈活調(diào)整而未必變更硬件。換句話說，即使相同頻率的脈沖串，由于用戶對電機在其對應(yīng)的脈沖寬度內(nèi)移動量的設(shè)定值不一樣，電機速度乃至負載側(cè)速度就會不一樣，它所起的作用與機械變速齒輪相似，但是卻不像機械變速齒輪那樣有形，于是有了個與機械對應(yīng)的說法：“電子齒輪”。三菱電機自動化有限公司這樣描述“電子齒輪”的作用：機械可以以任意倍率的輸入脈沖進行移動。