交流伺服电机快速准确定位的方法探讨

交流伺服电机快速准确定位的方法探讨

陈沛丰

陈沛丰

（中山佳维电子有限公司广东省中山市528400）

摘要：本文基于当前的形势，对伺服系统的发展历程和趋势以及交流伺服电机的工作原理进行了简单的介绍，并从使用伺服电机的位置闭环系统、克服伺服电机闭环系统定位误差的方法、分段线性减速的开环控制三个方面介绍交流伺服电机快速准确定位的方法进行了探讨，希望为广大读者提供有价值的建议。

关键词：交流伺服电机；快速准确定位；闭环系统；开环控制

引言：

如今伺服电机主要应用于位置的控制当中，例如，数控机床的控制，纺织机械的控制和激光加工的控制等领域。伺服电机的定位是否精准直接影响到工作的实际效果和产品的质量。因此，在高速加工中，一方面要求高的速度，要求做到精准瞬停。另一方面，要求各个坐标轴停启频繁。所以如何缩短运动的过渡时间具有着重要的意义。

一、伺服系统的发展历程和趋势

伺服电机系统具有良好的控制功能和构造简单的特点，已经在各个车床、智能生产和航天设备等领域有着广泛应用，交流伺服电机在运行和控制上已经超过其他的伺服系统，在安全性、稳定性和可操作性上有着巨大的优势。电机控制系统是伺服控制的核心技术，在现代的产业发展过程中电机控制技术占据着重要的地位，是衡量工业发展水平的重要标准。从传统的液压传动方式到电气传动方式，系统也从开环控制发展到了闭环控制。在上世纪八十年代，随着永磁材料的出现、电机控制系统理论趋于成熟、信息技术发展迅猛等使得伺服系统有着良好的发展。上世纪中期，液压系统由于自身较大的扭矩和设计制造简单的特点成为了主流的伺服系统，有着长远的发展和运用。同时由于系统效率慢、发热大、机械结构复杂等缺点限制了在高端领域的应用。到了六十年代，随着直流电机的出现，对调速性能和控制方法进行了一定的优化，开始取代了传统操作系统，开环系统发展成了闭环系统。到了八十年代，交流伺服系统由于结构简单和易于维修等优势得到了广泛的应用。

二、交流伺服电机的工作原理

控制电机的要求主要有动作灵敏、准确、重量轻盈等。它包括伺服电机、测速电机和步进电机。伺服电机又被称为执行电机。伺服电机系统能使物体的位置、方位和状态等输出被控量随着输入参数的变化而变化的自动化控制系统。将输入电压控制信号转变成轴上输出的角位置和角速度，从而实现对对象的控制。它主要依靠脉冲进行定位，也就是当伺服电机收到一个脉冲时就会旋转一个对应的角度，实现位移。每次旋转的角度都会发生相应的脉冲，如此就会和伺服电机的接受脉冲形成了呼应。系统就会记录有多少脉冲给了伺服电机，又有多少回来，如此可以对控制电机实现精准定位。交流伺服电机的无刷电机，包括同步和异步电机两种，在运动控制中通常采用的是同步电机，它的功率范围较大，可以做到大功率的运作，同时转动速度较低，随着功率的增大会减少，适合应用在低速平稳的运行中。交流伺服电机的特点是在静止的状态下能够依照这控制信号的命令而发生变化，并且要求在控制电压为零是，电机停止运作。

三、交流伺服电机快速准确定位的方法

（一）使用伺服电机的位置闭环系统

伺服系统的控制器一般由方向检测电路、脉冲计数电路、时间延迟电路和阻尼电路四部分组成。方向检测电路在确保电机实际操作的每一个步骤中只有一个脉冲进入电机驱动器，使得电机按照正确的方向运作。脉冲技术电路的构成有两个减法计数器，分贝计算减速距离和距离综合。延迟电路给反馈脉冲延迟特殊的时间，确保脉冲从控制器产生后传到驱动器，不会有所损失。阻尼电路需要提供两个间隔可调的脉冲，降低电机在运行时的转子振荡。一个典型的位置控制操作系统根据不同的运行阶段可以分为以下四个阶段：分别是运动系统提速阶段，它的作用是尽可能的保证电机输出启动转矩；稳速运行阶段，它的作用时保持实际转速和给定转速相一致；制动阶段，它的做用户故事计量的保证电机输出正确的制动转矩；定位阶段，它的作用是保证整个系统的准确定位[1]。关于电机系统的闭环传递函数看可以用一个二阶系统表示：

借助对各个参数的调整，可以满足它的动态特征，从开环传递函数看可以知道，系统属于I性系统，对斜坡函数和抛物线函数的输入有一定的误差，同时，系统中广泛使用的指数函数可以近似等于斜坡函数，存在着稳态误差。此时要想获得更加精确的定位方式需要采取数字方式控制，公式如下：

-代表雷击的误差脉冲个数

T-代表采样的周期

DT3-代表每个采样周期内获得的指令脉冲数

Kg-代表电子齿轮参数

DT2-代表每个采样周期内反馈脉冲个数

随着输入位置的变化，伺服系统的跟踪速度会随着不断变化，最终把误差中的滞留脉冲输出完毕，实现理论上的精准定位。

（二）克服伺服电机闭环系统定位误差的方法

伺服电机的控制过程分为升速阶段、恒速阶段、减速阶段和低速趋近定位点四个部分，全部的过程都是通过位置闭环控制。后两个阶段对电机的定位精确度有着重要影响。只要选取的减速点合适，无论是使用指数规则运算加减运算方式，还是直线规则加减运算方式，都可以确保电机减速后的准确定位。位置闭环控制系统操作中，减速点借助软件对每个采样周期来判断，减速点的剩余进给量大于剩余进给总量的时候，此时瞬时进给速度不会发生变化。从理论上来说，剩余总进给量和减速点的剩余进给量相等是会减速，并且按照预期的计算减速运行知道运动到定位点后性质。

在实际操作过程中，闭环系统的运转时，每个采样周期的反馈脉冲是几个、十几、几十个等，这使得实际减速点和理论不符。其中可能出现的最大的误差是减速前一个采样周期的脉冲数，如果在实施操作中减速点提前到来，按照预期的规则降低且未能达到一定的等位点，需要进入低速趋近定位点。采样周期越短、速度越小，那么速度的误差值就会越大。所以为了增加定位的精度，以满足一个脉冲量的要去，需要减少速度。若此时实行闭环控制则会带来极大的速度扰动，对伺服电机的准确定位造成干扰。因此，需要采取位置开环控制。如果实际的减速点落后于理论，那么到达定位点时速度会很高，系统容易出现过冲问题，对精确度和平稳性有着不良的影响，所以需要借助分段线性减速方式减速后进行开环控制，如此可以有效的增加快速定位的精准性[2]。

（三）分段线性减速的开环控制

不需要精确的确定减速点是分段线性减速的特点所在，在整个减速过程中可以采取开环控制。此时，交流伺服电机会在给定的时间间隔的脉冲系列下控制，在低速运行时，走的步数和给定的脉冲数相等。同它的控制方法简单，经济且方便，在包括伺服机构的死区补偿和零漂补偿的应用有助于提升伺服电机系统的精确定位[3]。闭环和开环控制系统是两种不同的控制系统，利用的是不同的控制算法，这时需要借助变结构控制方式。该应用能够有效实现伺服电机位置驱动中的变结构控制，借助任务间的雀环可以实现不同的控制结构。控制器需要根据减速时的状态来选择应用哪一种控制结构，当伺服电机的运行速度超过额定值时采取闭环系统运行，当运行速度低于给定值时采取开环系统运行，两种工作状态要求互锁，要及时切换，且确保切换时的精度。

总结：

总而言之，如何保证伺服系统在零误差下，实现过渡时间的最优控制，让各个参数满足高速加工的要求，是当前数控研究开发的关键问题。在此作者讲述了交流伺服电机系统的控制过程，对位置闭环系统在减速过程中容易导致较大误差的原因进行了分析，并简单介绍了分线段减速控制算法等。

参考文献：

[1]王传军.交流伺服系统特性分析与测试[J].电机与控制应用，2018，45（06）：117-121.

[2]李强.浅谈伺服系统的工作原理[J].中国高新区，2018（11）：155.

[3]沈霆.伺服电机控制技术的应用及发展趋向分析[J].通信电源技术，2018，35（03）：155-156.