電氣式伺服系統(tǒng)能夠實現(xiàn)先進且精確的運動控制，因此越來越頻繁地出現(xiàn)于多種工業(yè)級應用中。尤其在兩種特殊的工作方式下，伺服系統(tǒng)性能奇佳，即快速點對點負載定位和各點之間平滑精確軌跡（包羅線）控制。 　　伺服運動系統(tǒng)作為一項成熟的技術，具有一個明顯的特點：它擁有一套優(yōu)選設計方案體系并附有應用指導，這為終端用戶提供非常有價值的應用技巧以幫助他們完善系統(tǒng)。這些應用技巧涵蓋了方方面面，從各種實戰(zhàn)經(jīng)驗（包括慣性負載、合理接地屏蔽、電機的冷卻等）到各類高級伺服整定算法，不一而足。其中特別提到了整定算法的應用技巧，因為伺服運動系統(tǒng)需要得到精確的整定以確保該系統(tǒng)能達到最高的精度及要求的動態(tài)特性。 [ALIGN=CENTER] 圖１：伺服運動系統(tǒng)所具備的高度動態(tài)的能力很好地滿足多種應用需求，例如CNC磨床。例如柴油輸入泵汽缸蓋的內外部移動就是采用Rexroth數(shù)字伺服控制。[/ALIGN] 靈活利用應用技巧，成功締造伺服系統(tǒng)。著眼于整個系統(tǒng)才能擁有合理的開局。 　　 成套購買 　　 Danaher Motion公司伺服技術總工程師George Ellis先生建議成套購買伺服系統(tǒng)，包括運動控制器、驅動和伺服電機等，因為這樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的問題。單獨購買各部件的所帶來的一個問題就是連接順序的復雜化，電機、驅動終端和反饋設備（包括編碼器、分解器、霍耳傳感器等）可以有多種不同的連接次序。George Ellis先生還指出隨便更換電線很可能會造成電機停轉或失控。同樣地，驅動或控制器里有許多配置參數(shù)，只要其中一個出錯就會導致整個系統(tǒng)運行不良，而（用戶）還找不到明顯的原因。而采用同一供應商的電機和驅動還有一個好處就是能更好的安裝、調試軟件，并確保其兼容性。 　　 Control Engineering 產(chǎn)品研究調查報告對系統(tǒng)分析調查中發(fā)現(xiàn)，在某些個案中也可以單獨購買伺服系統(tǒng)各部件。最新一次調查（2006年3月）表明71%的用戶購買配套伺服驅動和電機，而另有12%的用戶分別購買這些部件。Ellis先生補充說到成套購買伺服系統(tǒng)各部件能夠確保系統(tǒng)運行更好、效率更高。 　　 整定的重要性 　　 “整定就是指設置若干增益系數(shù)（一般來說設置3到5個），使系統(tǒng)能夠排除多余干擾產(chǎn)生迅速而穩(wěn)定的響應的一個過程?！盓llis先生如是說。然而，整定伺服系統(tǒng)常常令人暈頭轉向，倒不是說整定有多復雜，而是這一過程要涉及一些陌生的理論。Ellis先生建議千萬不要盲目進行整定，不要以為隨隨便便調整增益就能獲得理想的響應。沒有合理的整定方案，增益設置很可能會失控。他補充說伺服部件供應商會為用戶提供整定程序，幫助用戶整定系統(tǒng)，這樣用戶無需掌握高深的控制理論。 　　 Baldor Electric公司伺服產(chǎn)品經(jīng)理John Mazurkiewicz先生解釋說現(xiàn)今伺服控制分為人工整定與自動整定。經(jīng)驗老道的工程師通常會使用人工整定，盡管這可能要花更多的時間。而使用自動整定時，他建議先進行無負載試運行，在用戶熟悉控制操作、負載情況與負載位置后，再加入負載進行整定。一般的控制系統(tǒng)能夠自動整定電流環(huán)和速率環(huán)，而Baldor推出的控制系統(tǒng)與眾不同，它可以進行位置環(huán)整定，簡化安裝。整個自動整定過程只需10分鐘就可大功告成。 　　 前饋 　　 僅僅依靠PID整定，伺服系統(tǒng)無法對大慣性負載進行精確加速和定位，在這樣的情況下B&R Industrial Automation 公司建議（用戶）可以考慮使用電流前饋的方法。這種方法也叫做慣性前饋法（IFF），通常還使用于以下一些情況：系統(tǒng)采用軟驅動鏈（比如帶有傳輸帶或是長軸），間隙過大、需要高度摩擦、懸掛的負載，或者是帶有凸輪彈簧裝置的負載等。 　　 “電流前饋法不像PID控制環(huán)產(chǎn)生必要的轉矩，而是驅動每隔一段時間計算出適當?shù)碾娏鳌！?，B&R Industrial Automation公司運動控制專家Markus Sandhoefner先生說到，“為確保系統(tǒng)效率，電流前饋必須在驅動內部進行實時計算。電流進行前饋同時PID照舊進行整定，只不過不需要整定到最高的精度?！? 　　 所有的PID控制回路都會引入延遲誤差，而IFF卻恰恰相反。IFF能夠顯著地減少延遲誤差（見慣性前饋圖），有效地處理慣性較大的負載和其他復雜的負載。B&R公司將慣性前饋整定定為一個標準的面向用戶的功能，并在Acopos系列伺服控制器中提供此功能。 [ALIGN=CENTER] 圖2：B&R IndustrialAutomation的伺服控制器提供慣性前饋整定（IFF），在高難度整定應用中能夠有效地降低延時誤差提高轉矩運作，確保運動軸快速定位，定位時間比原來縮減一半。[/ALIGN] 成熟的整定工具 　　 GE Fanuc Automation公司伺服產(chǎn)品經(jīng)理Paul Webster先生指出現(xiàn)在有很多伺服整定技術。而通常機床用戶只要將默認參數(shù)載入伺服控制系統(tǒng)，而不按照具體情況進行整定。機器可能也運行良好，不用再做任何調整。他介紹說默認伺服設置適用于通用情況，能使系統(tǒng)保證基本系統(tǒng)運作。只要做一些基礎的伺服整定就可以使機器運作效率倍增。 　　 除了默認設置，F(xiàn)anuc 0i-C系列低端控制器還具有“一鍵設置”功能，能夠方便地進行高精度參數(shù)初始化設置，而高端的Fanuc CNC系列提供的基于PC軟件也具備這種功能。Webster先生繼續(xù)介紹說，提高伺服系統(tǒng)運行效率下一步就是根據(jù)波德圖整定速率增益和諧振濾波器。Servo Guide就是一款不錯的整定軟件。 　　 通過系統(tǒng)增益幅度（dB）和相角（deg.）對控制環(huán)路頻響進行分析，波德圖可以評估出伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Webster先生提醒用戶需要關注哪些重要指標，包括系統(tǒng)最大帶寬（增益不變時的頻率范圍）、增益幅度為10dB時的頻率值、頻率衰減低于-20dB時的增益裕度。當波德圖上無正頻率峰值，頻率衰減又低于-10dB，此時整定濾波器就能非常有效地消除諧振的影響。 　 GE Fanuc推出了與CNC配套的高級整定函數(shù)，幫助用戶整定伺服系統(tǒng)，獲得最佳運作效率。Webster先生告訴用戶公司為他們準備的整定導航器方便實用，能夠幫助用戶順利完成整定各個步驟。 　　 Noteworthy是一個動態(tài)評估函數(shù)，能夠自動減少CNC應用中產(chǎn)生的象限突起（或運動損失）現(xiàn)象。象限突起現(xiàn)象主要由系統(tǒng)內部的空隙引起的，這些空隙可能是機械部件之間的物理空隙也可能是系統(tǒng)具有彈性而造成，這種現(xiàn)象也叫wind-up。這兩個明顯的因素會引起運動損失，造成系統(tǒng)滯后，在圓形圖上產(chǎn)生象限突起效應。（見“運動損耗”圖）。 　　 “我們利用“空隙加速”方法來消除象限突起現(xiàn)象，這種方法就是通過整定空隙數(shù)量并加入速率修正命令來消除造成運動損失的因素?！盬ebster先生如是說。動態(tài)整定是一個連續(xù)不斷的過程，系統(tǒng)不斷整定直到運動曲線達到精度為止。Webster先生又補充說一旦進入整定，整個系統(tǒng)整定過程就會自動進行。從某種意義上來說，CNC是基于系統(tǒng)初始誤差整定的。 　　 其他伺服系統(tǒng)供應商也為用戶提供了不同的運動損失補償方式。 不可忽略負載慣性 　　 負載慣性與電機的慣性之間的比例系數(shù)也是一個重要的考慮因素。實際運用中有很多系數(shù)值可用，而Baldor Electric推薦了負載慣性與電機慣性之比不大于10：1這一經(jīng)常被提到的系數(shù)。Mazurkiewicz先生解釋說，可能某些工程師會建議采用更高的慣性系數(shù)，但不管如何關鍵是要降低“慣性失配”的概率同時又能降低整定的難度。 　　 Bosch Rexroth也給用戶類似的忠告，他們建議用戶檢查“驅動負載”的慣性大小。Bosch Rexroth高級應用工程師Brian Van Laar先生解釋說負載慣性比電機慣性大許多的話，就很難進行快速的速度變化和定位了。在某些減速運動中，負載會反過來帶動電機，引起過沖現(xiàn)象，致使穩(wěn)定時間增長。為避免慣性失配，他們公司給出了若干“適配標準”：快速定位<2:1，修正定位<5:1，高速率變換<10:1。 　　 Mazurkiewicz先生介紹說避免慣性失配的方法之一就是在允許的范圍內提高齒輪比或滾珠間距，這樣做能夠減少負載慣性對電機的影響。選擇電機的同時也要考慮選擇適當?shù)凝X輪比和滾珠間距，當然也不能忘記考慮電機的大小。 　　 而另一方面，適當?shù)恼ǚ椒梢缘玫胶芨叩膽T性系數(shù)。Baldor公司就提到他們做過的一個項目，他們曾經(jīng)為一臺包裝機的伺服系統(tǒng)做過人工整定，當時慣性系數(shù)高達144:1。他們一共花了6個小時才將系數(shù)整定到適合值。慣性失配值過高系統(tǒng)的響應就會減小。Control Engineering1997年9月刊曾刊登名為“Electric Servos Do More with Less”的文章，就幾個高慣性負載應用實例進行過探討。 安裝電機注意事項 　　 Baldor公司Mazurkiewicz先生提到了電機安裝過程中常見的幾個問題： 由于供電電壓不足會導致電機運行速度不夠。所以選擇電機時，要確保10%的電壓余量，以防低電壓的情況；并檢測電機兩端電壓。 　　 由于低估負載重量或是發(fā)生去磁現(xiàn)象（系統(tǒng)帶有磁鐵時）會導致轉矩過短。用萬用表或示波器很容易能夠檢查出這種現(xiàn)象。啟動電機，使其以一個測試速度運行，測量兩端電壓，然后啟動另外一個電機以相同的速度運行，測試其兩端電壓。如果兩次測得的電壓值不同，則被測電機發(fā)生失磁現(xiàn)象。解決方法就是把電機送到制造商處重新磁化，并檢查原因加以改正。 [ALIGN=CENTER] 圖3：GE Fanuc CNC[/ALIGN] 高級整定采用步進式評估方式以減少機器運動損失。 圖示為一個二軸系統(tǒng)運作圖，從圖中不難看出最初的運動損耗（象限突起）現(xiàn)象在第8 次評估中已被消除。 發(fā)生電機過熱現(xiàn)象可能由于轉矩過長，換句話說就是電機尺寸過小，還有就是可能出現(xiàn)了紋波電流（用示波器可以觀察到）。Mazurkiewicz先生解釋道整定不當或是反饋設備校正不當會引起紋波電流現(xiàn)象，他同時提醒用戶不要用手試探電機的溫度。尺寸合適的無刷伺服電機室溫下的工作溫度可達100℃～125℃！ 關注電機反饋設備 　　 檢查分解器工作是否正常時，用歐姆表測量其阻值并檢查電機連接是否正確。檢查編碼器：采用5V電源供電，檢查信道A和信道B，用示波器觀察在信號±A和±B之間是否有5V方波。不要讓反饋設備的電線纏在一起。 　　 一些機電控制則對反饋設備采取交替檢查的方式。像是Baldor Seriers II驅動就具有“反饋出錯提示”功能，可以檢測是否遺失信號補償并報錯。 [ALIGN=CENTER] 圖4：Danaher Notion 推出的Kollmorgen S200 伺服驅動和AKM伺服電機（包括附件）是一套完整的伺服系統(tǒng)方案。它 使用簡單，能夠各種滿足特殊應用。[/ALIGN] 冷卻電機＝最佳運行 　　 系統(tǒng)內部運行產(chǎn)生的熱量會對電機有副作用。然而，直接驅動電機（循環(huán)和線性）也會產(chǎn)生熱量對高精度機械產(chǎn)生影響，因為電機是物理集成在機械結構里面的。所以，直接驅動電機（DDM）優(yōu)先考慮采用液體進行冷卻。DDM通常用于高速金屬切割機械中，比如激光切割機、木材作業(yè)機、橋式堆積機等。 　 Bosch Rexroth 自動化和機床品牌經(jīng)理Karl Rapp先生建議用戶選擇冷卻器要特別考慮到電機安裝的數(shù)量、位置、負載和溫度（最大、最小溫度和環(huán)境溫度）。冷卻劑的壓降也是一個重要的考慮因素。機電相對冷卻泵的高度、冷卻劑試管的直徑以及冷卻系統(tǒng)回路的總長都會對冷卻劑壓降產(chǎn)生影響。 [align=center] 圖5：英國制造商 Unison TJP Electronics Ltd.彎管機采用Baldor 公司NextMove e100 軟件能夠做到15 個運動軸同步運作，實現(xiàn)多步彎管操作同時進行。Baldor 無刷BSM系列伺服電機控制每個彎頭，伺服驅動具備制動整定功能。[/align] Rapp先生說系統(tǒng)如果有多個電機，就必須采用多回路冷卻器對每個電機進行冷卻。利用傳感器測出每個電機的冷卻劑輸出值以確保冷卻劑的最佳流速。 　　 冷卻劑最好采用水溶性的或脂溶性的，但不能用自來水、工業(yè)用水。這些液體中的化合成分很可能會導致冷卻劑回路不暢，電機過熱造成停工停產(chǎn)。Rapp先生建議最好每月監(jiān)測一次冷卻劑的pH值，避免化學腐蝕和泄漏。他還補充到可以利用現(xiàn)成的溫度、流量、壓力、pH值傳感器控制監(jiān)測冷卻系統(tǒng)，既簡單方便又經(jīng)濟實惠。 多軸分解 　　 伺服系統(tǒng)的運動軸越多，則系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、精確性和靈活性就會下降。B&R Industrial Automation建議多軸系統(tǒng)使用分布式運動控制，既可以減輕系統(tǒng)負荷又能夠簡化伺服驅動與運動控制器間的通信。分布式運動控制可以運用到打印、包裝、機器整理、流水線整合等方面。 　　 集中式控制方式使用一個標準的控制器，比如說系統(tǒng)采用一個8軸或16軸的控制器，如果系統(tǒng)需要擴展至10或18軸，可以再添加第二個控制器。而分布式運動控制（DMC）則截然不同。B&R公司Sandhoefner先生解釋說實際上，DMC使系統(tǒng)不再需要集中式運動控制器或CPU來進行計算，因為所有高速運動的計算都能在驅動的內部完成。而各運動控制器之間也無需保持高度同步。同時又簡化接線。不過，邏輯功能和I/O系統(tǒng)仍然需要主集中式控制器支持。 　　 他還補充說明，采用DMC，主控位能夠連接到快速實時網(wǎng)絡（比如Ethernet Powerlink）中，這樣每個驅動都能夠同時計算自己的相對位置。位置控制循環(huán)一旦重新設定，每個從屬位只也會進行實時變化，當然也在驅動內部完成動作。所以，一臺機器上安裝了多少個軸都不會對運動控制系統(tǒng)的運作產(chǎn)生不良的影響。哪怕是機器全速運行時安裝一個新的模塊進來，也不會有太大的影響。 　　 最后請?zhí)嵝延脩粢稽c：運用伺服運動系統(tǒng)千萬不可忽略制造商的相關資料以及他們的網(wǎng)站信息，這可都是很有價值的信息。 正確使用接地技巧、屏蔽技術，減少EMI 　　 電磁干擾（EMI）會產(chǎn)生刺耳的噪音并造成誤操作。Danaher Motion建議用戶采用以下方法避免EMI：使用適合的屏蔽電纜，為長引線加裝共模扼流線圈，電源信號與反饋信號分離等。Danaher Motion為提出一個“噪音檢查表”，它主要采用8個步驟來避免電池干擾。“噪音檢查表”作為一個獨立的伺服元件供應給用戶（請在線點擊“更多詳情”）。 　　 Bosch Rexroth也越來越注重高頻開關設備中的接地問題，比如伺服驅動中常用的IGBT。高級應用工程師Young Chon先生稱：“由于伺服系統(tǒng)運作需要動態(tài)響應，所以采用高頻切換（設備）是非常有利的，但同時它也可能產(chǎn)生更多的電子噪聲。不過，機械使用者和終端用戶可以通過伺服供應商提供的建議進行合理屏蔽接地，避免運作出錯?！? 更多信息，請訪問以下網(wǎng)站： 　　www.baldor.com 　　www.controleng.com 　　www.danahermotion.com 　　www.gefanuc.com 　　www.unisonltd.com