伺服行業(yè)技術(shù)|關(guān)于伺服電機(jī)的21個(gè)關(guān)鍵問題

工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對(duì)于交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。

1.如何正確選擇伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)？

答：主要視具體應(yīng)用情況而定，簡(jiǎn)單地說(shuō)要確定：負(fù)載的性質(zhì)（如水平還是垂直負(fù)載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對(duì)端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，或電池供電，電壓范圍。據(jù)此以確定電機(jī)和配用驅(qū)動(dòng)器或控制器的型號(hào)。

2.選擇步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)系統(tǒng)？

答：其實(shí)，選擇什么樣的電機(jī)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況而定，各有其特點(diǎn)。

3.如何配用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器？

答：根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動(dòng)器。如果需要低振動(dòng)或高精度時(shí)，可配用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，盡可能用高電壓型驅(qū)動(dòng)器，以獲得良好的高速性能。

4. 2相和5相步進(jìn)電機(jī)有何區(qū)別，如何選擇？

答：2相電機(jī)成本低，但在低速時(shí)的震動(dòng)較大，高速時(shí)的力矩下降快。5相電機(jī)則振動(dòng)較小，高速性能好，比2相電機(jī)的速度高30~50% ，可在部分場(chǎng)合取代伺服電機(jī)。

5.何時(shí)選用直流伺服系統(tǒng)，它和交流伺服有何區(qū)別？

答：直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。

交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。

6.使用電機(jī)時(shí)要注意的問題？

答：上電運(yùn)行前要作如下檢查：

1） 電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅(qū)動(dòng)模塊的損壞）；對(duì)于直流輸入的 +/- 極性一定不能接錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適（開始時(shí)不要太大）；

2） 控制信號(hào)線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；

3） 不要開始時(shí)就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統(tǒng)，運(yùn)行良好后，再逐步連接。

4） 一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

5） 開始運(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機(jī)調(diào)整。

7.步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，有時(shí)動(dòng)一下就不動(dòng)了或原地來(lái)回動(dòng)，運(yùn)行時(shí)有時(shí)還會(huì)失步，是什么問題？

一般要考慮以下方面作檢查：

1） 電機(jī)力矩是否足夠大，能否帶動(dòng)負(fù)載，因此我們一般推薦用戶選型時(shí)要選用力矩比實(shí)際需要大 50%~100% 的電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不能過負(fù)載運(yùn)行，哪怕是瞬間，都會(huì)造成失步，嚴(yán)重時(shí)停轉(zhuǎn)或不規(guī)則原地反復(fù)動(dòng)。

2） 上位控制器來(lái)的輸入走步脈沖的電流是否夠大（一般要 >10mA ），以使光耦穩(wěn)定導(dǎo)通，輸入的頻率是否過高，導(dǎo)致接收不到，如果上位控制器的輸出電路是CMOS 電路，則也要選用 CMOS 輸入型的驅(qū)動(dòng)器。微信號(hào)技成培訓(xùn)值得你關(guān)注。

3）啟動(dòng)頻率是否太高，在啟動(dòng)程序上是否設(shè)置了加速過程，最好從電機(jī)規(guī)定的啟動(dòng)頻率內(nèi)開始加速到設(shè)定頻率，哪怕加速時(shí)間很短，否則可能就不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。

4） 電機(jī)未固定好時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)此狀況，則屬于正常。因?yàn)?，?shí)際上此時(shí)造成了電機(jī)的強(qiáng)烈共振而導(dǎo)致進(jìn)入失步狀態(tài)。電機(jī)必須固定好。

5）對(duì)于 5 相電機(jī)來(lái)說(shuō)，相位接錯(cuò)，電機(jī)也不能工作。

8.我想通過通訊方式直接控制伺服電機(jī)，可以嗎？

可以的，也比較方便，只是速度問題，用于對(duì)響應(yīng)速度要求不太高的應(yīng)用。如果要求快速的響應(yīng)控制參數(shù)，最好用伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，一般它上面有DSP 和高速度的邏輯處理電路，以實(shí)現(xiàn)高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制。如 S 加速、多軸插補(bǔ)等。

9.用開關(guān)電源給步進(jìn)和直流電機(jī)系統(tǒng)供電好不好？

一般最好不要，特別是大力矩電機(jī)，除非選用比需要的功率大一倍以上的開關(guān)電源。因?yàn)?，電機(jī)工作時(shí)是大電感型負(fù)載，會(huì)對(duì)電源端形成瞬間的高壓。而開關(guān)電源的過載性能不好，會(huì)保護(hù)關(guān)斷，且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要，有時(shí)可能造成開關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)器的損壞?？梢杂贸Ｒ?guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。

10.想用±10V或4~20mA的直流電壓來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，可以嗎？

可以，但需要另外的轉(zhuǎn)換模塊。

11.有一個(gè)的伺服電機(jī)帶編碼器反饋，可否用只帶測(cè)速機(jī)口的伺服驅(qū)動(dòng)器控制？

可以，需要配一個(gè)編碼器轉(zhuǎn)測(cè)速機(jī)信號(hào)模塊。

12.伺服電機(jī)的碼盤部分可以拆開嗎？

禁止拆開，因?yàn)榇a盤內(nèi)的石英片很容易破裂，且進(jìn)入灰塵后，壽命和精度都將無(wú)法保證，需要專業(yè)人員檢修。

13.步進(jìn)和伺服電機(jī)可以拆開檢修或改裝嗎？

不要，最好讓廠家去做，拆開后沒有專業(yè)設(shè)備很難安裝回原樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)定子間的間隙無(wú)法保證。磁鋼材料的性能被破壞，甚至造成失磁，電機(jī)力矩大大下降。

14.伺服控制器能夠感知外部負(fù)載的變化嗎？

如遇到設(shè)定阻力時(shí)停止、返回或保持一定的推力跟進(jìn)。

15.可以將國(guó)產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)和國(guó)外優(yōu)質(zhì)的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器配用嗎？

原則上是可以的，但要搞清楚電機(jī)的技術(shù)參數(shù)后才能配用，否則會(huì)大大降低應(yīng)有的效果，甚至影響長(zhǎng)期運(yùn)行和壽命。最好向供應(yīng)商咨詢后再?zèng)Q定。

16.使用大于額定電壓值的直流電源電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全嗎？

正常來(lái)說(shuō)這不是問題，只要電機(jī)在所設(shè)定的速度和電流極限值內(nèi)運(yùn)行。因?yàn)殡姍C(jī)速度與電機(jī)線電壓成正比，因此選擇某種電源電壓不會(huì)引起過速，但可能發(fā)生驅(qū)動(dòng)器等故障。

此外，必須保證電機(jī)符合驅(qū)動(dòng)器的最小電感系數(shù)要求，而且還要確保所設(shè)定的電流極限值小于或等于電機(jī)的額定電流。

事實(shí)上，如果你能在你設(shè)計(jì)的裝置中讓電機(jī)跑地比較慢的話 ( 低于額定電壓 ) ，這是很好的。

以較低的電壓 ( 因此比較低的速度 ) 運(yùn)行會(huì)使得電刷運(yùn)轉(zhuǎn)反彈較少，而且電刷 / 換向器磨損較小，比較低的電流消耗和比較長(zhǎng)的電機(jī)壽命。

另一方面，如果電機(jī)大小的限制和性能的要求需要額外的轉(zhuǎn)矩及速度，過度驅(qū)動(dòng)電機(jī)也是可以的，但會(huì)犧牲產(chǎn)品的使用壽命。

17.如何為應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)墓╇婋娫矗?/p>

推薦選擇電源電壓值比最大所需的電壓高 10%-50% 。此百分比因 Kt， Ke， 以及系統(tǒng)內(nèi)的電壓降而不同。驅(qū)動(dòng)器的電流值應(yīng)該足夠傳送應(yīng)用所需的能量。記住驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓值與供電電壓不同， 因此驅(qū)動(dòng)器輸出電流也與輸入電流不相同。為確定合適的供電電流，需要計(jì)算此應(yīng)用所有的功率需求，再增加 5% 。按 I = P/V 公式計(jì)算即可得到所需電流值。

推薦選擇電源電壓值比最大所需的電壓高 10%-50% 。此百分比因 Kt， Ke， 以及系統(tǒng)內(nèi)的電壓降而不同。驅(qū)動(dòng)器的電流值應(yīng)該足夠傳送應(yīng)用所需的能量。記住驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓值與供電電壓不同， 因此驅(qū)動(dòng)器輸出電流也與輸入電流不相同。為確定合適的供電電流，需要計(jì)算此應(yīng)用所有的功率需求，再增加 5% 。按 I = P/V 公式計(jì)算即可得到所需電流值。

18.對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器我可以選擇那種工作方式？

不同的模式并不全部存在于所有型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器中

19.驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)如何接地？

a. 如果在交流電源和驅(qū)動(dòng)器直流總線（如變壓器）之間沒有隔離的話，不要將直流總線的非隔離端口或非隔離信號(hào)的地接大地，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞和人員傷害。因?yàn)榻涣鞯墓搽妷翰⒉皇菍?duì)大地的，在直流總線地和大地之間可能會(huì)有很高的電壓。

b. 在多數(shù)伺服系統(tǒng)中，所有的公共地和大地在信號(hào)端是接在一起的。多種連接大地方式產(chǎn)生的地回路很容易受噪音影響而在不同的參考點(diǎn)上產(chǎn)生流。

c. 為了保持命令參考電壓的恒定，要將驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)地接到控制器的信號(hào)地。它也會(huì)接到外部電源的地，這將影響到控制器和驅(qū)動(dòng)器的工作（如：編碼器的5V電源）。

d.屏蔽層接地是比較困難的，有幾種方法。正確的屏蔽接地處是在其電路內(nèi)部的參考電位點(diǎn)上。這個(gè)點(diǎn)取決于噪聲源和接收是否同時(shí)接地，或者浮空。要確保屏蔽層在同一個(gè)點(diǎn)接地使得地電流不會(huì)流過屏蔽層。

20.減速器為什么不能和電機(jī)正好相配在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)？

如果考慮到電機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)過減速器的最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩，許多減速比會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過減速器的轉(zhuǎn)矩等級(jí)。

如果我們要設(shè)計(jì)每個(gè)減速器來(lái)匹配滿轉(zhuǎn)矩，減速器的內(nèi)部齒輪會(huì)有太多組合 ( 體積較大、材料多 ) 。

這樣會(huì)使得產(chǎn)品價(jià)格高，且違反了產(chǎn)品的“高性能、小體積”原則。

21.如何選用電動(dòng)缸、滑臺(tái)、精密平臺(tái)類產(chǎn)品？其成本是如何計(jì)算的？

選擇致動(dòng)執(zhí)行器類產(chǎn)品關(guān)鍵要看您對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)有什么樣的要求，可以根據(jù)您需要的應(yīng) 用來(lái)確定具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)等技術(shù)條件，這些參數(shù)要符合您的實(shí)際需要，既要滿足應(yīng)用要求并留有余地，也不要提得太高，否則其成本可能會(huì)數(shù)倍于標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品。舉例來(lái)說(shuō)，如果0.1mm精度夠用的話，就不要選0.01mm的參數(shù)。其它如負(fù)載能力、速度等也是如此。

另外一個(gè)給用戶的選型建議是，如果不是必須，推拉力或負(fù)重、速度、定位精度這三個(gè)主要參數(shù)不要同時(shí)要求很高，因?yàn)橹聞?dòng)執(zhí)行器是一個(gè)高精度高技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，我們?cè)谠O(shè)計(jì)制造時(shí)需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣性能、材料特性、材質(zhì)和處理方法等多方面考慮并選擇相應(yīng)的組成電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器和反饋裝置，以及不同精度等級(jí)的導(dǎo)軌、絲桿、支撐座和其它機(jī)械系統(tǒng)，使之達(dá)到需要的整體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可謂牽一發(fā)動(dòng)全身的產(chǎn)品。當(dāng)然，您有高要求的產(chǎn)品需要，我們還是可以滿足，只是成本會(huì)相應(yīng)的提高。