伺服系統(tǒng)位置控制中的“電子齒輪”分析

◆ “電子齒輪”的結(jié)構(gòu)分析與實(shí)踐

伺服驅(qū)動器生產(chǎn)商給出的“電子齒輪”的表達(dá)式為分?jǐn)?shù)，其分子和分母分別被定義為兩個可以設(shè)定的用戶參數(shù)：

分析上述表達(dá)式，四項(xiàng)主要數(shù)據(jù)有著各自的特點(diǎn)：

一．負(fù)載轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速 （俗稱速比）習(xí)慣上這是由機(jī)械角度考慮決定的，但是由于它是“電子齒輪”的組成部分，在數(shù)值上應(yīng)盡量選取整數(shù)，這一點(diǎn)對于旋轉(zhuǎn)工作臺類機(jī)械而言尤為突出。

二．負(fù)載軸轉(zhuǎn)一周的移動量對于不同工序要求的機(jī)械系統(tǒng)，負(fù)載軸一轉(zhuǎn)完成的移動量不一樣，絲桿類行進(jìn)的是螺旋長度；圓臺類旋轉(zhuǎn)的是一周角度；傳送類則是負(fù)載軸的周長，等等。它是設(shè)備功能決定的，選擇余地不大。

三．伺服電機(jī)編碼器分辨率編碼器是伺服電機(jī)乃至伺服系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵部件，因?yàn)樗欧姍C(jī)接收脈沖每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器就會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，回饋給伺服驅(qū)動器，與伺服電機(jī)接收的脈沖形成呼應(yīng)，稱為閉環(huán)。有了這種環(huán)節(jié)，伺服控制系統(tǒng)就會對發(fā)出和收回脈沖數(shù)量予以比較、調(diào)節(jié)，很精確地控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到精確定位。編碼器分辨率表示了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號數(shù)量的數(shù)值，顯然這個數(shù)值越高，表示每轉(zhuǎn)發(fā)出的數(shù)字脈沖越細(xì)分，檢測精度也會相應(yīng)提高。當(dāng)然它是與伺服電機(jī)一體安裝的，用戶在選擇伺服電機(jī)時配套考量。

四．每指令脈沖對應(yīng)的移動量 （亦稱為指令單位）這個數(shù)值由用戶自行選擇，是體現(xiàn)“電子齒輪”“變速”作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，筆者多年來分別使用過三菱MR—J3系列伺服放大器和安川SGDM型伺服單元，體會到這個“指令單位”的取值極重要，它直接影響“電子齒輪”比值，需要結(jié)合機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)綜合考慮，兼顧下列因素：

1. 最高輸出速度在機(jī)械減速器已確定的前提下，受上位機(jī)或伺服驅(qū)動器最高輸出頻率的限制，指令單位的取值直接影響負(fù)載軸能輸出的最高轉(zhuǎn)速，成正比趨勢。筆者使用三菱FX系列PLC分別與三菱及安川伺服驅(qū)動器組成系統(tǒng)，用于分切輸送機(jī)械，曾計(jì)算指令單位取值與負(fù)載線速度的關(guān)系如下：

可以看出：指令單位越小，負(fù)載線速度越低；上位機(jī)頻率越低，負(fù)載線速度相應(yīng)也低。折算成輸出軸速度有同樣比例關(guān)系。

2. 定位精度顯然指令單位取值越小，相當(dāng)于脈沖當(dāng)量越細(xì)分。比如，指令單位取值由0.1縮小10倍成0.01，相當(dāng)于在一個脈沖寬度內(nèi)位移由0.1修改成0.01。換言之，原來一個脈沖的位移，現(xiàn)在要十個脈沖來完成，其相對定位精度自然會比修改前高。

由此可以看出，當(dāng)其他條件不變的前提下，指令單位取值對機(jī)械系統(tǒng)的速度和精度有著密切關(guān)系，伺服系統(tǒng)為用戶提供數(shù)字控制平臺，而用戶則應(yīng)在滿足設(shè)備加工要求前提下，最大限度地在速度和定位精度兩者尋求恰當(dāng)數(shù)值。三菱MR—J3系列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應(yīng)用選擇空間；另外提供三個擴(kuò)展參數(shù)，作為電子齒輪的分子數(shù)據(jù)，可以通過驅(qū)動器兩個輸入端子功能設(shè)置，由PLC編程組合成四種“電子齒輪”，更增加變速范圍。

從“電子齒輪”的數(shù)值結(jié)構(gòu)可以看出，作為分子分母的兩個用戶參數(shù)是整數(shù)，然而它必須通過公式演算化簡，因此各有關(guān)數(shù)據(jù)取值時應(yīng)充分考慮計(jì)算、化簡的可能性，便于取舍。

為了確保伺服系統(tǒng)正常運(yùn)行，制造商會對“電子齒輪”的比值范圍作出限制，并且提醒用戶，如果超出限制范圍會產(chǎn)生可能的后果，比如發(fā)出異常噪音；不能按照設(shè)定的速度或加減速時間常數(shù)運(yùn)行；甚至影響定位精度，等等，一旦出現(xiàn)這些情況須在減速機(jī)速比、負(fù)載位移量（周長、角度、行程）及指令單位取值等方面厘清主次，尋求平衡。