本文主要是關(guān)于伺服驅(qū)動器的相關(guān)介紹，并著重對伺服驅(qū)動器的脈沖進行了詳盡的闡述。

伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)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(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。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(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)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(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅(qū)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(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用 。

在伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)中，電機轉(zhuǎn)子實時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)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(nèi)必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖，限制了最低可測轉(zhuǎn)速；2）用于測速的2個控制系統(tǒng)定時器開關(guān)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(tǒng)速度環(huán)設計方案難以提高伺服驅(qū)動器速度跟隨與控制性能 。

工作原理

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，

可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)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(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(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電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)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(jīng)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(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)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(tǒng)的大規(guī)模應用，伺服驅(qū)動器使用、伺服驅(qū)動器調(diào)試、伺服驅(qū)動器維修都是伺服驅(qū)動器在當今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務商對伺服驅(qū)動器進行了技術(shù)深層次研究。

伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)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(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅(qū)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(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

基本要求

伺服進給系統(tǒng)的要求

1、調(diào)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(wěn)定性

4、快速響應，無超調(diào)

為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)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(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強

一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)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(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)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(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)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(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。

4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)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(qū)動器主程序主要用來完成系統(tǒng)的初始化、LO接口控制信號、DSP內(nèi)各個控制模塊寄存器的設置等。

伺服驅(qū)動器所有的初始化工作完成后，主程序才進入等待狀態(tài)，以及等待中斷的發(fā)生，以便電流環(huán)與速度環(huán)的調(diào)節(jié)。

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(qū)動保護中斷程序、通信中斷程序。

伺服驅(qū)動器重要參數(shù)的設置方法和技巧

隨著市場的發(fā)展和國內(nèi)功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)及控制原理等技術(shù)的進步，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動器及伺服電動機這兩年有了較大的

發(fā)展，在某些應用領(lǐng)域打破了國外的壟斷局面。筆者因多年從事數(shù)控技術(shù)工作，使用了多套日本安川、松下、三洋等數(shù)字伺服，但最近因國產(chǎn)伺服性價比好，使

用了一些數(shù)控技術(shù)公司生產(chǎn)的交流伺服驅(qū)動及電動機，對使用中某些方面總結(jié)了一些簡單實用的技巧。

1KNDSD100基本性能

1.1基本功能

SD100采用國際上先進的數(shù)字信號處理器（DSP）TM320（S240）、大規(guī)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(xiàn)象。伺服電動機自帶編碼器，位置信號反饋至伺服驅(qū)動器，與開環(huán)位置控制器一起構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。調(diào)速比寬 1：5000，轉(zhuǎn)矩恒定，1 r和2000r的扭矩基本一樣，從低速到高速都具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩特性和很快的響應特性。采用全數(shù)字控制，控制簡單靈活。用戶通過參數(shù)修改可以對伺服的工作方式、運行特性作出適當?shù)脑O置。目前價格僅比步進電動機高2000～3000元。

1.2 參數(shù)調(diào)整

SD100為用戶提供了豐富的用戶參數(shù)0～59個，報警參數(shù)1～32個，監(jiān)視方式（電動機轉(zhuǎn)速，位置偏差等）22個。用戶可以根據(jù)不同的現(xiàn)場情況調(diào)整參數(shù)，以達到最佳控制效果。幾種常用的參數(shù)的含義是：

（1）“0”號為密碼參數(shù)，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(qū)動器和電動機。

（3）“4”號為控制方式選擇，改變此參數(shù)可設置驅(qū)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(diào)零方式；“5”為開環(huán)控制方式（用戶測試電壓及編碼器）；“6”為轉(zhuǎn)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(shù)設置根據(jù)具體的伺服驅(qū)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(tǒng)不產(chǎn)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(shù)，出廠值為20。此設定值越小，積分速度越快，太小容易產(chǎn)生超調(diào)，太大使響應變慢。參數(shù)設置根據(jù)具體的伺服驅(qū)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）“40”、“4l”號為加減速時間常數(shù)，出廠設定為0。此設定值表示電動機以0～100r/min轉(zhuǎn)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，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會引起振蕩或超調(diào)。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動型號和負載情況而定。

2 KNDSD100的參數(shù)設置技巧

SD100伺服驅(qū)動器和凱恩帝數(shù)控系統(tǒng)相配時，只需設定表1中的參數(shù)，其余參數(shù)，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(qū)動器，應將KND系統(tǒng)的電子齒輪比設置為CMR/CMD=1：1，。KND-SD100伺服驅(qū)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(shù)）/帶輪比×絲杠螺距×1000

分子分母可約成整數(shù)。

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(shù)）/帶輪比×絲杠螺距×1000×2

例：X軸絲杠螺距為4mm，1：1傳動；Z軸絲杠螺距為6mm，1：2減速傳動，則X軸驅(qū)動器的電子齒輪比為

PA12/PA13=4×2500/（1×4×1000×2）=5/4。

Z軸驅(qū)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(qū)動器，PA/2/PA/3應設定為5/4，對于Z軸驅(qū)動器，PA12/PA13應設定為10/3。

3KNDSD100的參數(shù)優(yōu)化技巧

（1） 根據(jù)上述設置好SD100伺服驅(qū)動器參數(shù)后，開始優(yōu)化調(diào)整伺服性能，即驅(qū)動增益參數(shù)的調(diào)整。一般SD100驅(qū)動器保持缺省的增益參數(shù)，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(fā)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(jīng)檢查問題后可考慮采用共振抑制的辦法，修改7號參數(shù)（轉(zhuǎn)矩濾波器）和8號參數(shù)（速度檢測低通濾波器）來抑制電動機產(chǎn)生的振動。7、8號參數(shù)缺省參數(shù)為100，可試著每次將7、8號參數(shù)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7，8號參數(shù)的調(diào)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(shù)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(diào)整如下參數(shù)：①速度比例增益PA5的調(diào)整：確認驅(qū)動器正常啟動，用數(shù)控系統(tǒng)手動控制電動機轉(zhuǎn)動（機床移動）。確認如果電動機不振動，加大調(diào)整此參數(shù)。設定值越大，剛性越大，機床的定位精度越高，每次加大數(shù)值5，直到產(chǎn)生振動，將此值減小到穩(wěn)定后，再將此值減10；②位置比例增益PA9：在穩(wěn)定范圍內(nèi)，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(diào)整相似，在不產(chǎn)生振動的情況下應盡可能調(diào)大此值；③如以上兩參數(shù)提高后還達不到加工效果，可采用調(diào)整7、8號參數(shù)的方法進行振動的抑制參數(shù)調(diào)整。調(diào)整后，驅(qū)動器5、9 號參數(shù)可以再向上調(diào)一些，這樣應該可以滿足用戶的加工要求。

4KNDSD100的故障處理技巧

一旦出現(xiàn)報警信號，伺服單元將禁止電動機運行，以及對用戶參數(shù)的調(diào)整，直至斷電后重新上電。用戶可以根據(jù)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(qū)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(qū)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(shù)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(qū)動器某些特征參數(shù)（如KNDSD100的“1”號型號代碼參數(shù)），短時間內(nèi)互換，確定故障后再換回來是可以的。

還可以通過修改數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，將某軸如X軸鎖住，不讓系統(tǒng)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(shù)不同而產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一供電系統(tǒng)，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(guī)范。例如：U、V、W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(zhuǎn)，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(xiàn)竄動現(xiàn)象，測速信號不穩(wěn)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(fā)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(qū)動增益過大所致；

（2） 電動機爬行：大多發(fā)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(tài)不良，伺服系統(tǒng)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(lián)接用的聯(lián)軸器，由于連接松動或聯(lián)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(zhuǎn)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(chǎn)生振動，這時就會產(chǎn)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(huán)問題；

（4）電動機轉(zhuǎn)矩降低：伺服電動機從額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩到高速運轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(fā)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PA17：400，位置超差檢測范圍），伺服驅(qū)動器就會出現(xiàn)“4”號位置超差報警。主要原因有：系統(tǒng)設定的允差范圍小；伺服系統(tǒng)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(zhuǎn)：數(shù)控系統(tǒng)到伺服驅(qū)動器除了聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)，常用診斷方法有：檢查數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)輸入/出狀態(tài)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(jīng)打開；驅(qū)動器有故障；伺服電動機有故障；伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)聯(lián)軸節(jié)失效或鍵脫開等。

小結(jié)

綜上所述，數(shù)控機床伺服驅(qū)動器的正確使用除按用戶手冊正確設置參數(shù)外，還應結(jié)合使用現(xiàn)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(shù)理解能力和實踐技能，才能摸索出調(diào)試驅(qū)動器和電動機的技巧，才能用好伺服驅(qū)動和伺服電動機。

結(jié)語

關(guān)于伺服驅(qū)動器的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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