通用型與脈沖型伺服驅動器的區別
本文主要是關于伺服驅動器的相關介紹并著重對伺服驅動器的脈沖進行了詳盡的闡述
伺服驅動器
伺服驅動器（servo drives）又稱為伺服控制器伺服放大器是用來控制伺服電機的一種控制器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達屬于伺服系統的一部分主要應用于高精度的定位系統一般是通過位置速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制實現高精度的傳動系統定位目前是傳動技術的高端產品
伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流速度位置3閉環控制算法該算法中速度閉環設計合理與否對于整個伺服控制系統特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用
在伺服驅動器速度閉環中電機轉子實時速度測量精度對于改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要為尋求測量精度與系統成本的平衡一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器與其對應的常用測速方法為M/T測速法M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量范圍但這種方法有其固有的缺陷主要包括1）測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖限制了最低可測轉速2）用于測速的2個控制系統定時器開關難以嚴格保持同步在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度因此應用該測速法的傳統速度環設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能
工作原理
目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心
可以實現比較復雜的控制算法實現數字化網絡化和智能化功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路IPM內部集成了驅動電路同時具有過電壓過電流過熱欠壓等故障檢測保護電路在主回路中還加入軟啟動電路以減小啟動過程對驅動器的沖擊功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流得到相應的直流電經過整流好的三相電或市電再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路
隨著伺服系統的大規模應用伺服驅動器使用伺服驅動器調試伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究
伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流速度位置3閉環控制算法該算法中速度閉環設計合理與否對于整個伺服控制系統特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用
基本要求
伺服進給系統的要求
1調速范圍寬
2定位精度高
3有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性
4快速響應無超調
為了保證生產率和加工質量除了要求有較高的定位精度外還要求有良好的快速響應特性即要求跟蹤指令信號的響應要快因為數控系統在啟動制動時要求加減加速度足夠大縮短進給系統的過渡過程時間減小輪廓過渡誤差
5低速大轉矩過載能力強
一般來說伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力在短時間內可以過載4～6倍而不損壞
6可靠性高
要求數控機床的進給驅動系統可靠性高工作穩定性好具有較強的溫度濕度振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力
對電機的要求
1從最低速到最高速電機都能平穩運轉轉矩波動要小尤其在低速如0.1r/min或更低速時仍有平穩的速度而無爬行現象
2電機應具有大的較長時間的過載能力以滿足低速大轉矩的要求一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞
3為了滿足快速響應的要求電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓
4電機應能承受頻繁啟制動和反轉
伺服驅動器需要什么樣的脈沖
正反脈沖控制（CW+CCW）脈沖加方向控制（pulse+direction）AB相輸入（相位差控制常見于手輪控制）
伺服驅動器主程序主要用來完成系統的初始化LO接口控制信號DSP內各個控制模塊寄存器的設置等
伺服驅動器所有的初始化工作完成后主程序才進入等待狀態以及等待中斷的發生以便電流環與速度環的調節
中斷服務程序主要包括四M定時中斷程序光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序功率驅動保護中斷程序通信中斷程序
伺服驅動器重要參數的設置方法和技巧
隨著市場的發展和國內功率電子技術微電子技術計算機技術及控制原理等技術的進步國內數控系統交流伺服驅動器及伺服電動機這兩年有了較大的
發展在某些應用領域打破了國外的壟斷局面筆者因多年從事數控技術工作使用了多套日本安川松下三洋等數字伺服但最近因國產伺服性價比好使用了一些數控技術公司生產的交流伺服驅動及電動機對使用中某些方面總結了一些簡單實用的技巧
1 KNDSD100基本性能
1.1 基本功能
SD100采用國際上先進的數字信號處理器（DSP）TM320（S240）大規模可編程門陣列（FPGA）日本三菱的新一代智能化功率模塊（1PM）集成度高體積小具有超速過流過載主電源過壓欠壓編碼器異常和位置超差等保護功能
與步進電動機相比交流伺服電動機無失步現象伺服電動機自帶編碼器位置信號反饋至伺服驅動器與開環位置控制器一起構成半閉環控制系統調速比寬 15000轉矩恒定1 r和2000r的扭矩基本一樣從低速到高速都具有穩定的轉矩特性和很快的響應特性采用全數字控制控制簡單靈活用戶通過參數修改可以對伺服的工作方式運行特性作出適當的設置目前價格僅比步進電動機高2000～3000元
1.2 參數調整
SD100為用戶提供了豐富的用戶參數0～59個報警參數1～32個監視方式（電動機轉速位置偏差等）22個用戶可以根據不同的現場情況調整參數以達到最佳控制效果幾種常用的參數的含義是
（1）0號為密碼參數出廠值315用戶改變型號必須將此密碼改為385
（2）1號為型號代碼對應同系列不同功率級別的驅動器和電動機
（3）4號為控制方式選擇改變此參數可設置驅動器的控制方式其中0為位置控制方式1為速度控制方式2為試運行控制方式3為JOG控制方式4為編碼器調零方式5為開環控制方式（用戶測試電壓及編碼器）6為轉矩控制方式
（4）5號為速度比例增益出廠值為150此設置值越大增益越高剛度越高參數設置根據具體的伺服驅動型號和負載情況設定一般情況下負載慣量越大設定值越大在系統不產生振蕩情況下應盡量設定較大些
（5）6號為速度積分時間常數出廠值為20此設定值越小積分速度越快太小容易產生超調太大使響應變慢參數設置根據具體的伺服驅動型號和負載確定一般情況下負載慣量越大設定值越大
（6）404l號為加減速時間常數出廠設定為0此設定值表示電動機以0～100r/min轉速所需的加速時間或減速時間加減速特性呈線性
（7）9號為位置比例增益出廠沒定為40此設置值越大增益越高剛度越高相同頻率指令沖條件下位置滯后量越小但數值太大可能會引起振蕩或超調參數數值根據具體的伺服驅動型號和負載情況而定
2 KNDSD100的參數設置技巧
SD100伺服驅動器和凱恩帝數控系統相配時只需設定表1中的參數其余參數一般情況下不用修改
電子齒輪比的設置如下配KND-SD100伺服驅動器應將KND系統的電子齒輪比設置為CMR/CMD=11KND-SD100伺服驅動器電子齒輪比設置為
位置指令脈沖分頻分子（PA12）/位置指令脈沖分頻分母（PA13）=4×2500（編碼器條紋數）/帶輪比×絲杠螺距×1000
分子分母可約成整數
對于車床如果X軸以直徑編程以上公式分母應乘以2即
位置指令脈沖分頻分子（PA12）/位置指令脈沖分頻分母（PA13）=4×2500（編碼器條紋數）/帶輪比×絲杠螺距×1000×2
例X軸絲杠螺距為4mm11傳動Z軸絲杠螺距為6mm12減速傳動則X軸驅動器的電子齒輪比為
PA12/PA13=4×2500/（1×4×1000×2）=5/4
Z軸驅動器的電子齒輪比為
PA12/PA13=4×2500/（6×1000×1/2）（減速傳動比）=10/3
所以對于X軸驅動器PA/2/PA/3應設定為5/4對于Z軸驅動器PA12/PA13應設定為10/3
3 KNDSD100的參數優化技巧
（1） 根據上述設置好SD100伺服驅動器參數后開始優化調整伺服性能即驅動增益參數的調整一般SD100驅動器保持缺省的增益參數基本可以滿足用戶的加工要求在缺省增益運行電動機時如果電動機發出異常聲音則要首先考慮電動機軸的安裝是否存在問題經檢查問題后可考慮采用共振抑制的辦法修改7號參數（轉矩濾波器）和8號參數（速度檢測低通濾波器）來抑制電動機產生的振動78號參數缺省參數為100可試著每次將78號參數分別減少10按確認鍵運行電動機如還不正常再減少10直到電動機無異常聲音一般78號參數的調整范圍為20～80之間這樣基本能達到共振抑制的效果
（2） 保持出廠參數時達不到加工效果比如車床車出的斜面粗糙度值大可試著再調整如下參數①速度比例增益PA5的調整確認驅動器正常啟動用數控系統手動控制電動機轉動（機床移動）確認如果電動機不振動加大調整此參數設定值越大剛性越大機床的定位精度越高每次加大數值5直到產生振動將此值減小到穩定后再將此值減10②位置比例增益PA9在穩定范圍內盡量設置得較大這樣機床跟蹤特性好滯后誤差小同速度比例增益的調整相似在不產生振動的情況下應盡可能調大此值③如以上兩參數提高后還達不到加工效果可采用調整78號參數的方法進行振動的抑制參數調整調整后驅動器59 號參數可以再向上調一些這樣應該可以滿足用戶的加工要求
4 KNDSD100的故障處理技巧
一旦出現報警信號伺服單元將禁止電動機運行以及對用戶參數的調整直至斷電后重新上電用戶可以根據顯示的報警信息來判斷故障的類型以及引起故障的原因具體故障處理辦法可以參考SD100用戶手冊如果連報警都沒有那自然就是驅動器故障當然還有可能是伺服根本沒有故障而是控制信號或上位機有問題導致伺服沒有動作
除了看驅動器上的錯誤報警號查手冊外有時最直接的判斷就是互換如數控車床的X軸和Z軸互換（型號相同才可以）或在伺服電動機功率差距不大的情況下修改伺服驅動器某些特征參數（如KNDSD100的1號型號代碼參數）短時間內互換確定故障后再換回來是可以的
還可以通過修改數控系統參數將某軸如X軸鎖住不讓系統檢測X軸達到判斷目的但應注意X軸與Z軸互換即使型號相同機床可能因為負載不同參數不同而產生問題在確認檢查方案動手前一定要考慮全面以免造成不必要的損失
再有因為交流伺服單元通常使用數控系統統一供電系統三相交流220 V的電壓來自伺服變壓器所以在操作過程中必須符合操作規范例如UVW三相輸出必須按照正確的順序連接否則電動機將不能正常運轉將給出報警信號并禁止電動機運行
此外還可以利用報警表（表2）提示來處理故障
5 伺服電動機的其他問題處理技巧
（1）電動機竄動在進給時出現竄動現象測速信號不穩定如編碼器有裂紋接線端子接觸不良如螺釘松動等當竄動發生在由正方向運動與反方向運動的換向瞬間時一般是由于進給傳動鏈的反向問隙或伺服驅動增益過大所致
（2） 電動機爬行大多發生在起動加速段或低速進給時一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良伺服系統增益低及外加負載過大等因素所致尤其要注意的是伺服電動機和滾珠絲杠聯接用的聯軸器由于連接松動或聯軸器本身的缺陷如裂紋等造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉動不同步從而使進給運動忽快忽慢
（3）電動機振動機床高速運行時可能產生振動這時就會產生過流報警機床振動問題一般屬于速度問題所以應尋找速度環問題
（4）電動機轉矩降低伺服電動機從額定堵轉轉矩到高速運轉時發現轉矩會突然降低這時因為電動機繞組的散熱損壞和機械部分發熱引起的高速時電動機溫升變大因此正確使用伺服電動機前一定要對電動機的負載進行驗算
（5） 電動機位置誤差當伺服軸運動超過位置允差范圍時（KNDSD100出廠標準設置PA17400位置超差檢測范圍）伺服驅動器就會出現4號位置超差報警主要原因有系統設定的允差范圍小伺服系統增益設置不當位置檢測裝置有污染進給傳動鏈累計誤差過大等
（6）電動機不轉數控系統到伺服驅動器除了聯結脈沖+方向信號外還有使能控制信號一般為DC+24 V繼電器線圈電壓伺服電動機不轉常用診斷方法有檢查數控系統是否有脈沖信號輸出檢查使能信號是否接通通過液晶屏觀測系統輸入/出狀態是否滿足進給軸的起動條件對帶電磁制動器的伺服電動機確認制動已經打開驅動器有故障伺服電動機有故障伺服電動機和滾珠絲杠聯結聯軸節失效或鍵脫開等
小結
綜上所述數控機床伺服驅動器的正確使用除按用戶手冊正確設置參數外還應結合使用現場和負載情況靈活操作實際工作中使用者只有具備較強的參數理解能力和實踐技能才能摸索出調試驅動器和電動機的技巧才能用好伺服驅動和伺服電動機
