伺服系統位置控制中的“電子齒輪”分析

◆ “電子齒輪”的結構分析與實(shí)踐

伺服驅動(dòng)器生產(chǎn)商給出的“電子齒輪”的表達式為分數，其分子和分母分別被定義為兩個(gè)可以設定的用戶(hù)參數：

分析上述表達式，四項主要數據有著(zhù)各自的特點(diǎn)：

一．負載轉速/電機轉速 （俗稱(chēng)速比）習慣上這是由機械角度考慮決定的，但是由于它是“電子齒輪”的組成部分，在數值上應盡量選取整數，這一點(diǎn)對于旋轉工作臺類(lèi)機械而言尤為突出。

二．負載軸轉一周的移動(dòng)量對于不同工序要求的機械系統，負載軸一轉完成的移動(dòng)量不一樣，絲桿類(lèi)行進(jìn)的是螺旋長(cháng)度；圓臺類(lèi)旋轉的是一周角度；傳送類(lèi)則是負載軸的周長(cháng)，等等。它是設備功能決定的，選擇余地不大。

三．伺服電機編碼器分辨率編碼器是伺服電機乃至伺服系統精確定位的關(guān)鍵部件，因為伺服電機接收脈沖每旋轉一個(gè)角度，編碼器就會(huì )發(fā)出對應數量的脈沖，回饋給伺服驅動(dòng)器，與伺服電機接收的脈沖形成呼應，稱(chēng)為閉環(huán)。有了這種環(huán)節，伺服控制系統就會(huì )對發(fā)出和收回脈沖數量予以比較、調節，很精確地控制伺服電機的轉動(dòng)，從而達到精確定位。編碼器分辨率表示了伺服電機旋轉一周的位移量轉換成數字脈沖信號數量的數值，顯然這個(gè)數值越高，表示每轉發(fā)出的數字脈沖越細分，檢測精度也會(huì )相應提高。當然它是與伺服電機一體安裝的，用戶(hù)在選擇伺服電機時(shí)配套考量。

四．每指令脈沖對應的移動(dòng)量 （亦稱(chēng)為指令單位）這個(gè)數值由用戶(hù)自行選擇，是體現“電子齒輪”“變速”作用的關(guān)鍵數據，筆者多年來(lái)分別使用過(guò)三菱MR—J3系列伺服放大器和安川SGDM型伺服單元，體會(huì )到這個(gè)“指令單位”的取值極重要，它直接影響“電子齒輪”比值，需要結合機械和電氣設計綜合考慮，兼顧下列因素：

1. 最高輸出速度在機械減速器已確定的前提下，受上位機或伺服驅動(dòng)器最高輸出頻率的限制，指令單位的取值直接影響負載軸能輸出的最高轉速，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動(dòng)器組成系統，用于分切輸送機械，曾計算指令單位取值與負載線(xiàn)速度的關(guān)系如下：

可以看出：指令單位越小，負載線(xiàn)速度越低；上位機頻率越低，負載線(xiàn)速度相應也低。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，相當于脈沖當量越細分。比如，指令單位取值由0.1縮小10倍成0.01，相當于在一個(gè)脈沖寬度內位移由0.1修改成0.01。換言之，原來(lái)一個(gè)脈沖的位移，現在要十個(gè)脈沖來(lái)完成，其相對定位精度自然會(huì )比修改前高。

由此可以看出，當其他條件不變的前提下，指令單位取值對機械系統的速度和精度有著(zhù)密切關(guān)系，伺服系統為用戶(hù)提供數字控制平臺，而用戶(hù)則應在滿(mǎn)足設備加工要求前提下，最大限度地在速度和定位精度兩者尋求恰當數值。三菱MR—J3系列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應用選擇空間；另外提供三個(gè)擴展參數，作為電子齒輪的分子數據，可以通過(guò)驅動(dòng)器兩個(gè)輸入端子功能設置，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”的數值結構可以看出，作為分子分母的兩個(gè)用戶(hù)參數是整數，然而它必須通過(guò)公式演算化簡(jiǎn)，因此各有關(guān)數據取值時(shí)應充分考慮計算、化簡(jiǎn)的可能性，便于取舍。

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