伺服电机的调试方法及伺服电机的选择

伺服电机也称为执行电机，或控制电机。在自动控制系统中，伺服电机是执行机构，其作用是将信号(控制电压或相位)变为机械位移，即把接收到的电信号变为电机的某一转速或角位移。其容量一般为0.1-100W，一般在30W以下。伺服电机分为DC和交流。

伺服电机内部的转子是永磁体，由驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在这个磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器将信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值的比较来调整转子的旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度(行数)。伺服电机控制伺服系统中机械元件运行的发动机。是辅助电机的间接变速装置。也称为执行电机，在自动控制系统中，它用作执行元件，将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度。分为DC和交流伺服电机。

　　伺服电机的调试方法

　　1、初始化参数

接线前初始化参数。

控制卡上：选择控制方式；明确PID参数；控制卡上电时关闭默认使能信号；保存此状态，以确保控制卡再次通电时处于此状态。

在伺服电机上：设置控制模式；设置启用由外部控制；编码器信号输出的传动比；设置控制信号和电机速度之间的比例关系。一般来说，建议伺服工作中的最大设计速度对应9V的控制电压。例如，杨珊设定1V电压对应的速度，出厂值为500。如果您只希望电机在1000转/分以下工作，则将该参数设置为111。

　　2、接线

关闭控制卡的电源，并连接控制卡和伺服系统之间的信号线。下列线路必须连接：控制卡模拟输出线、使能信号线、伺服输出编码器信号线。检查接线无错误后，电机和控制卡(和电脑)通电。此时，电机不应该移动，在外力作用下很容易转动。如果没有，检查启用信号的设置和接线。用外力旋转电机，检查控制卡是否能正确检测电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置

　　3、试方向

对于闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果将是灾难性的。通过控制卡打开伺服启动信号。这就是伺服要低速旋转，就是传说中的“零漂”。一般控制卡上都有抑制零点漂移的指令或参数。使用该指令或参数，查看电机的速度和方向是否可由该指令(参数)控制。如果无法控制，检查控制模式的模拟接线和参数设置。确认给出一个正数，电机正转，编码器计数增加；给定一个负数，电机反向旋转，编码器计数减少。如果电机负载且行程受限，请勿使用此方法。测试不要给太大电压，建议在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。

　　4、抑制零漂

在闭环控制过程中，零点漂移的存在会对控制效果产生一定的影响，最好加以抑制。用控制卡或伺服参数抑制零点漂移，并仔细调整使电机转速趋近于零。由于零点漂移本身具有一定的随机性，所以不需要要求电机转速绝对为零。

　　5、建立闭环控制

伺服使能信号再次通过控制卡被释放，并且较小的比例增益被输入到控制卡上。至于什么更小，只能凭感觉来判断。如果不放心，输入控制卡允许的最小值。打开控制卡和伺服的使能信号。此时，电机应该已经能够大致按照运动指令动作了。

　　6、调整闭环参数

微调控制参数保证电机按照控制卡的指令运动是必须的工作，但是这部分工作比较有经验，这里只能省略。

　　伺服电机的选择

　　1、传统的选择方法

这里只考虑电机的动力学问题，直线运动用速度v(t)、加速度a(t)、所需外力F(t)表示，这些都可以表示为时间的函数，与其他因素无关。显然，最大功率pmotor应该大于工作负载所需的峰值功率ppeak，但这是不够的。物理功率包括扭矩和速度，但在实际传动机构中受到限制。

用tpeak表示最大值或

者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限= 峰值，最大/ 峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。

　　2、新的选择方法

　　一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。

　　这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。

　　较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。

　　这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。

　　以下将介绍一些伺服电机系统，涉及永磁同步电机以及感应异步电机。

　　一个伺服系统，不单单是一个电机。它是一个闭环的运动系统，包含了控制器、驱动器、电仪和反馈装置，通常一个还配有一个光学或磁编码器。

　　伺服系统能在采用永磁（permanent magnets ，PM）技术后同步机械，配以有刷或无刷PM电机，或在一个AC感应电机上建立异步机械系统。

　　永磁同步电机 有较高的峰值，以及持续的扭矩，适用于精确位移系统的高加速度和快速减速中的驱动伺服系统。扭矩与输入电流直接呈比例关系。电机轴速与输入的电压相关。输入电压越高，电机的速度就越高。扭矩和速度的比的曲线呈线性的。

　　永磁结构与电机气隙相关。如，无刷PM电机的结构，包含两个交互的磁结构，移动的转子（连接着永磁）和定子线圈产生电磁反应，从而出现电机的转矩和速度。

　　三相定子场能顺序产生能量，且PM转子跟随转子场一起完成同步运动。一个特定的电子补偿系统，用于检查转子位置，并为定子线圈加能量。无刷PM电机，在所有其他的电机中成为精确位移系统的首选，除了汽车应用以及超大电机系统中。无刷PM电机是仅有的伺服电机系统，能用于闭环扭矩、速度或位移系统。

　　不同的转子

　　AC感应电机拥有PM无刷电机同样的物理特性

　　的定子，但它的转子结构完全不同。鼠笼结构的感应电机包含一系列的感应铝或铜条，放置在转子结构中，连接在末端线圈。

　　这些短转子条与定子的旋转磁场互有电磁耦合感应，产生一个新的转子场，并与定子场相互反应，形成转子运动。

　　在同步的定子和较慢的定子场，与实际的速度之间有差异。这个速度的差异就是所谓的滑差。输入的频率决定了电机的速度。

　　例如，一个60 Hz、两极的AC感应电机，无负载时的速度近3，600 rpm，一个四极AC电机运行速度低于1，800 rpm，根据滑差值的不用而有所不同。当电机开始转矩时，滑差增加，速度降低。

　　AC感应电机会输出更多的转矩，随着速度的降低，直至负载达到故障点，此时电机速度会遽降至零。一个固有的AC电机性能特点是，起始的转矩较小，必须在电机起始时卸去负载。

　　随着20世纪80年底变频器电子驱动的出现，电机特有的转矩-速度性能曲线，也发生了很大的改变。变频器的性能是，同时改变电压和频率，使用可调节或可变化的速度驱动，就能重新构建了转矩-速度曲线，AC感应电机是速度系统的主要环节。

　　如何使用

　　驱动技术在性能上的持续提高，将无刷PM和AC感应电机，也带入了驱动市场的竞争，但是无刷PM电机仍然在控制领域中占主导地位。AC感应电机不适应在低速和高速中使用。

　　在伺服位移系统中使用一个无刷PM电机，通常采用50 kW （67 hp）或更高的功率的系统。AC感应电机通常在恒速或变速系统中。混合的方案系统比较少见。其他电机也能部分实现，但是在性能上超过AC感应电机或无刷PM电机的方案较少。

　　无刷PM电机在速度控制中，对1 kW （1.37 hp）的DC有刷电机的速度控制或更小功率的应用市场中造成了一定的冲击。而AC感应电机则掌控了大部分的大于1MW的应用。