關鍵詞：伺服  位置控製  脈寬調製（SPWM） 單位脈衝  移動量  電子齒輪  設定

摘要：伺服係統位置控製模式的關鍵參數“電子齒輪”是個專業性較強的技術術語
，工程技術人員在應用中一般是套用公式。本文討論伺服驅動器發出脈衝，控製電機位移量；數控技術使用戶可以選擇設定值
，實現電子化“變速”的基本思路，及對“電子齒輪”的應用體會。

      現代工業的發展，在機械加工，冶金製造

、分切輸送、機器人或機械手等領域，被控對象的動作越來越複雜化
、多(duo)樣(yang)化(hua)，它(ta)們(men)都(dou)涉(she)及(ji)到(dao)各(ge)自(zi)的(de)位(wei)置(zhi)定(ding)位(wei)，並(bing)且(qie)有(you)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)。交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)是(shi)目(mu)前(qian)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)傳(chuan)動(dong)技(ji)術(shu)的(de)高(gao)端(duan)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)
，它(ta)使(shi)得(de)輸(shu)出(chu)的(de)機(ji)械(xie)位(wei)移(yi)（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），數控技術確保執行元件跟隨設定的指令，進行人們期望的運動。它具備有位置
、速度和力矩三種控製方式，主要用於高精度的定位，可以滿足各類複雜機械位移（或轉角）變化定位要求。

◆  對“電子齒輪”的理解

      伺服係統一般具備三大環節：伺服電機、伺服驅動器和實施控製的上位機，上位機大都用PLC或單片機。如圖：

      伺服電機是這個係統的執行元件，伺服係統靠脈衝來定位，而位置控製的基本點是上位機依據被控對象的具體控製要求，編製程序

；sifuqudongqizhixingshangweijichengxu，shuchumaichong。zheyang
，daiyoutedingchengxuguizedemaichongdianyuanrangsifudianjiqushijixiebujianshixianweiyihuozhuanjiao，wanchenggongxuzuoyerenwu。kejianwulunkongzhiduixiangdeyaoqiuqianbianwanhua，qizhunquedeweizhidingweibiranyumaichongdeshulianghemeidanweimaichongqijianjixiebujiandeyidongliangzheyanglianggeyaosumiqiexiangguan。

      就機械構成而言
，伺服電機輸出軸與負載輸入之間通常都有減速裝置，它反映了伺服電機與負載輸入之間轉速的對應（倍率）關(guan)係(xi)，俗(su)稱(cheng)速(su)比(bi)。由(you)於(yu)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)的(de)特(te)點(dian)
，這(zhe)樣(yang)的(de)機(ji)械(xie)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)一(yi)旦(dan)確(que)立(li)，那(na)麼(me)減(jian)速(su)裝(zhuang)置(zhi)的(de)速(su)比(bi)就(jiu)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)
，如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)調(tiao)整(zheng)，就(jiu)意(yi)味(wei)可(ke)能(neng)廢(fei)除(chu)原(yuan)有(you)硬(ying)件(jian)，重(zhong)新(xin)製(zhi)作(zuo)安(an)裝(zhuang)，顯(xian)然(ran)不(bu)是(shi)很(hen)方(fang)便(bian)。能(neng)不(bu)能(neng)找(zhao)到(dao)更(geng)方(fang)便(bian)且(qie)有(you)效(xiao)的(de)途(tu)徑(jing)，讓(rang)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)的(de)速(su)度(du)變(bian)化(hua)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)可(ke)調(tiao)整(zheng)、設定呢？

      微電子技術和大功率電力電子技術的發展產生了伺服驅動器，它采用數字信號處理器(DSP)作為控製核心，實現比較複雜的控製算法
，達到數字化
、智能化；其功率器件采用以智能功率模塊（IPM）為核心的驅動電路，同時具有過電壓
、過電流、過熱
、欠壓等故障檢測保護,在主回路中還加入軟啟動電路,以(yi)減(jian)小(xiao)啟(qi)動(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)對(dui)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)衝(chong)擊(ji)。伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)是(shi)對(dui)交(jiao)流(liu)三(san)相(xiang)或(huo)單(dan)相(xiang)電(dian)進(jin)行(xing)整(zheng)流(liu)，得(de)到(dao)相(xiang)應(ying)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)，通(tong)過(guo)正(zheng)弦(xian)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)(SPWM)電(dian)壓(ya)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)變(bian)頻(pin)來(lai)驅(qu)動(dong)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)。這(zhe)樣(yang)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)接(jie)受(shou)來(lai)自(zi)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)脈(mai)衝(chong)，在(zai)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)的(de)時(shi)間(jian)段(duan)內(nei)，電(dian)機(ji)實(shi)現(xian)位(wei)移(yi)
，一(yi)串(chuan)這(zhe)樣(yang)的(de)脈(mai)衝(chong)就(jiu)使(shi)得(de)電(dian)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)起(qi)來(lai)，進(jin)而(er)驅(qu)動(dong)機(ji)械(xie)負(fu)載(zai)。由(you)於(yu)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)采(cai)用(yong)了(le)正(zheng)弦(xian)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)技(ji)術(shu)
，這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)特(te)點(dian)是(shi)輸(shu)出(chu)的(de)脈(mai)衝(chong)串(chuan)不(bu)等(deng)寬(kuan)

，它(ta)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)來(lai)產(chan)生(sheng)脈(mai)寬(kuan)。如(ru)此(ci)，伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)的(de)移(yi)動(dong)量(liang)就(jiu)可(ke)以(yi)隨(sui)脈(mai)寬(kuan)的(de)可(ke)控(kong)特(te)性(xing)來(lai)選(xuan)擇(ze)、設she定ding，靈ling活huo調tiao整zheng而er未wei必bi變bian更geng硬ying件jian。換huan句ju話hua說shuo
，即ji使shi相xiang同tong頻pin率lv的de脈mai衝chong串chuan，由you於yu用yong戶hu對dui電dian機ji在zai其qi對dui應ying的de脈mai衝chong寬kuan度du內nei移yi動dong量liang的de設she定ding值zhi不bu一yi樣yang，電dian機ji速su度du乃nai至zhi負fu載zai側ce速su度du就jiu會hui不bu一yi樣yang


，它ta所suo起qi的de作zuo用yong與yu機ji械xie變bian速su齒chi輪lun相xiang似si，但dan是shi卻que不bu像xiang機ji械xie變bian速su齒chi輪lun那na樣yang有you形xing，於yu是shi有you了le個ge與yu機ji械xie對dui應ying的de說shuo法fa：“電子齒輪”。三菱電機自動化有限公司這樣描述“電子齒輪”的作用：機械可以以任意倍率的輸入脈衝進行移動。

◆  “電子齒輪”的結構分析與實踐

      伺服驅動器生產商給出的“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可以設定的用戶參數：

      分析上述表達式，四項主要數據有著各自的特點：

      一．負載轉速/電機轉速 （俗稱速比）  習慣上這是由機械角度考慮決定的，但是由於它是“電子齒輪”的組成部分，在數值上應盡量選取整數，這一點對於旋轉工作台類機械而言尤為突出。

      二．負載軸轉一周的移動量  對於不同工序要求的機械係統，負載軸一轉完成的移動量不一樣，絲杆類行進的是螺旋長度
；圓台類旋轉的是一周角度；傳送類則是負載軸的周長，等等。它是設備功能決定的
，選擇餘地不大。

      三．伺服電機編碼器分辨率   編bian碼ma器qi是shi伺si服fu電dian機ji乃nai至zhi伺si服fu係xi統tong精jing確que定ding位wei的de關guan鍵jian部bu件jian，因yin為wei伺si服fu電dian機ji接jie收shou脈mai衝chong每mei旋xuan轉zhuan一yi個ge角jiao度du，編bian碼ma器qi就jiu會hui發fa出chu對dui應ying數shu量liang的de脈mai衝chong，回hui饋kui給gei伺si服fu驅qu動dong器qi，與yu伺si服fu電dian機ji接jie收shou的de脈mai衝chong形xing成cheng呼hu應ying

，稱cheng為wei閉bi環huan。有you了le這zhe種zhong環huan節jie，伺si服fu控kong製zhi係xi統tong就jiu會hui對dui發fa出chu和he收shou回hui脈mai衝chong數shu量liang予yu以yi比bi較jiao、tiaojie，henjingquedikongzhisifudianjidezhuandong，congerdadaojingquedingwei。bianmaqifenbianlvbiaoshilesifudianjixuanzhuanyizhoudeweiyiliangzhuanhuanchengshuzimaichongxinhaoshuliangdeshuzhi
，xianranzhegeshuzhiyuegao，biaoshimeizhuanfachudeshuzimaichongyuexifen，jiancejingduyehuixiangyingtigao。dangrantashiyusifudianjiyitianzhuangde，yonghuzaixuanzesifudianjishipeitaokaoliang。

      四．每指令脈衝對應的移動量 （亦稱為指令單位）  這個數值由用戶自行選擇，是體現“電子齒輪”“變速”作用的關鍵數據，筆者多年來分別使用過三菱MR―J3係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   zaijixiejiansuqiyiquedingdeqiantixia，shoushangweijihuosifuqudongqizuigaoshuchupinlvdexianzhi，zhilingdanweidequzhizhijieyingxiangfuzaizhounengshuchudezuigaozhuansu，chengzhengbiqushi。bizheshiyongsanlingFX係列PLC分別與三菱及安川伺服驅動器組成係統，用於分切輸送機械
，曾計算指令單位取值與負載線速度的關係如下：

      可以看出：指令單位越小，負載線速度越低

；上位機頻率越低，負載線速度相應也低。折算成輸出軸速度有同樣比例關係。

      2. 定位精度   顯然指令單位取值越小，相當於脈衝當量越細分。比如
，指令單位取值由0.1縮小10倍成0.01，相當於在一個脈衝寬度內位移由0.1修改成0.01。換言之，原來一個脈衝的位移，現在要十個脈衝來完成，其相對定位精度自然會比修改前高。

      由(you)此(ci)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，當(dang)其(qi)他(ta)條(tiao)件(jian)不(bu)變(bian)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)，指(zhi)令(ling)單(dan)位(wei)取(qu)值(zhi)對(dui)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)的(de)速(su)度(du)和(he)精(jing)度(du)有(you)著(zhe)密(mi)切(qie)關(guan)係(xi)，伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)平(ping)台(tai)，而(er)用(yong)戶(hu)則(ze)應(ying)在(zai)滿(man)足(zu)設(she)備(bei)加(jia)工(gong)要(yao)求(qiu)前(qian)提(ti)下(xia)，最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)在(zai)速(su)度(du)和(he)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)兩(liang)者(zhe)尋(xun)求(qiu)恰(qia)當(dang)數(shu)值(zhi)。三(san)菱(ling)MR―J3係列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應用選擇空間；另外提供三個擴展參數，作為電子齒輪的分子數據
，可以通過驅動器兩個輸入端子功能設置，由PLC編程組合成四種“電子齒輪”

，更增加變速範圍。

      從“電子齒輪”的數值結構可以看出，作為分子分母的兩個用戶參數是整數，然而它必須通過公式演算化簡，因此各有關數據取值時應充分考慮計算、化簡的可能性，便於取舍。

      為了確保伺服係統正常運行
，製造商會對“電子齒輪”的比值範圍作出限製，並且提醒用戶，如果超出限製範圍會產生可能的後果，比如發出異常噪音；不能按照設定的速度或加減速時間常數運行
；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、角度
、行程）及指令單位取值等方麵厘清主次，尋求平衡。