電氣式伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)且精確的運(yùn)動(dòng)控制，因此越來越頻繁地出現(xiàn)于多種工業(yè)級(jí)應(yīng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)負(fù)載定位和各點(diǎn)之間平滑精確軌跡（包羅線）控制。
伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，具有一個(gè)明顯的特點(diǎn)：它擁有一套優(yōu)選設(shè)計(jì)方案體系并附有應(yīng)用指導(dǎo)，這為終端用戶提供非常有價(jià)值的應(yīng)用技巧以幫助他們完善系統(tǒng)。這些應(yīng)用技巧涵蓋了方方面面，從各種實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)（包括慣性負(fù)載、合理接地屏蔽、電機(jī)的冷卻等）到各類高級(jí)伺服整定算法，不一而足。其中特別提到了整定算法的應(yīng)用技巧，因?yàn)樗欧\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要得到精確的整定以確保該系統(tǒng)能達(dá)到最高的精度及要求的動(dòng)態(tài)特性。
圖１：伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所具備的高度動(dòng)態(tài)的能力很好地滿足多種應(yīng)用需求，
例如CNC磨床。例如柴油輸入泵汽缸蓋的內(nèi)外部移動(dòng)就是采用Rexroth
數(shù)字伺服控制。 靈活利用應(yīng)用技巧，成功締造伺服系統(tǒng)。著眼于整個(gè)系統(tǒng)才能擁有合理的開局。
成套購買
Danaher Motion公司伺服技術(shù)總工程師George Ellis先生建議成套購買伺服系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)等，因?yàn)檫@樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的
問題。單獨(dú)購買各部件的所帶來的一個(gè)問題就是連接順序的復(fù)雜化，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)終端和反饋設(shè)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(huì)造成電機(jī)停轉(zhuǎn)或失控。同樣地，驅(qū)動(dòng)或控制器里有許多配置參數(shù)，只要其中一個(gè)出錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不良，而（用戶）還找不到明顯的原因。而采用同一供應(yīng)商的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)還有一個(gè)好處就是能更好的安裝、調(diào)試軟件，并確保其兼容性。
Control Engineering 產(chǎn)品研究調(diào)查報(bào)告對(duì)系統(tǒng)分析調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在某些個(gè)案中也可以單獨(dú)購買伺服系統(tǒng)各部件。最新一次調(diào)查（2006年3月）表明71%的用戶購買配套伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)，而另有12%的用戶分別購買這些部件。Ellis先生補(bǔ)充說到成套購買伺服系統(tǒng)各部件能夠確保系統(tǒng)運(yùn)行更好、效率更高。
整定的重要性
“整定就是指設(shè)置若干增益系數(shù)（一般來說設(shè)置3到5個(gè)），使系統(tǒng)能夠排除多余干擾產(chǎn)生迅速而穩(wěn)定的響應(yīng)的一個(gè)過程。”Ellis先生如是說。然而，整定伺服系統(tǒng)常常令人暈頭轉(zhuǎn)向，倒不是說整定有多復(fù)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(jìn)行整定，不要以為隨隨便便調(diào)整增益就能獲得理想的響應(yīng)。沒有合理的整定方案，增益設(shè)置很可能會(huì)失控。他補(bǔ)充說伺服部件供應(yīng)商會(huì)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(dòng)整定。經(jīng)驗(yàn)老道的工程師通常會(huì)使用人工整定，盡管這可能要花更多的時(shí)間。而使用自動(dòng)整定時(shí)，他建議先進(jìn)行無負(fù)載試運(yùn)行，在用戶熟悉控制操作、負(fù)載情況與負(fù)載位置后，再加入負(fù)載進(jìn)行整定。一般的控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(jìn)行位置環(huán)整定，簡化安裝。整個(gè)自動(dòng)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(duì)大慣性負(fù)載進(jìn)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(qū)動(dòng)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(fù)載，或者是帶有凸輪彈簧裝置的負(fù)載等。
“電流前饋法不像PID控制環(huán)產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，而是驅(qū)動(dòng)每隔一段時(shí)間計(jì)算出適當(dāng)?shù)碾娏鳌！保珺&R Industrial Automation公司運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。電流進(jìn)行前饋同時(shí)PID照舊進(jìn)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(huì)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(fù)載和其他復(fù)雜的負(fù)載。B&R公司將慣性前饋整定定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的面向用戶的功能，并在Acopos系列伺服控制器中提供此功能。
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(yīng)用中能夠有效地降低延時(shí)誤差提高轉(zhuǎn)矩運(yùn)作，
確保運(yùn)動(dòng)軸快速定位，定位時(shí)間比原來縮減一半。 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(shù)。
而通常機(jī)床用戶只要將默認(rèn)參數(shù)載入伺服控制系統(tǒng)，而不按照具體情況進(jìn)行整定。機(jī)器可能也運(yùn)行良好，不用再做任何調(diào)整。他介紹說默認(rèn)伺服設(shè)置適用于通用情況，能使系統(tǒng)保證基本系統(tǒng)運(yùn)作。只要做一些基礎(chǔ)的伺服整定就可以使機(jī)器運(yùn)作效率倍增。
除了默認(rèn)設(shè)置，F(xiàn)anuc 0i-C系列低端控制器還具有“一鍵設(shè)置”功能，能夠方便地進(jìn)行高精度參數(shù)初始化設(shè)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(yùn)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(cuò)的整定軟件。
通過系統(tǒng)增益幅度（dB）和相角（deg.）對(duì)控制環(huán)路頻響進(jìn)行分析，波德圖可以評(píng)估出伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Webster先生提醒用戶需要關(guān)注哪些重要指標(biāo)，包括系統(tǒng)最大帶寬（增益不變時(shí)的頻率范圍）、增益幅度為10dB時(shí)的頻率值、頻率衰減低于-20dB時(shí)的增益裕度。當(dāng)波德圖上無正頻率峰值，頻率衰減又低于-10dB，此時(shí)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(jí)整定函數(shù)，幫助用戶整定伺服系統(tǒng)，獲得最
佳運(yùn)作效率。Webster先生告訴用戶公司為他們準(zhǔn)備的整定導(dǎo)航器方便實(shí)用，能夠幫助用戶順利完成整定各個(gè)步驟。
Noteworthy是一個(gè)動(dòng)態(tài)評(píng)估函數(shù)，能夠自動(dòng)減少CNC應(yīng)用中產(chǎn)生的象限突起（或運(yùn)動(dòng)損失）現(xiàn)象。象限突起現(xiàn)象主要由系統(tǒng)內(nèi)部的空隙引起的，這些空隙可能是機(jī)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(gè)明顯的因素會(huì)引起運(yùn)動(dòng)損失，造成系統(tǒng)滯后，在圓形圖上產(chǎn)生象限突起效應(yīng)。（見“運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)損失的因素。”Webster先生如是說。動(dòng)態(tài)整定是一個(gè)連續(xù)不斷的過程，系統(tǒng)不斷整定直到運(yùn)動(dòng)曲線達(dá)到精度為止。Webster先生又補(bǔ)充說一旦進(jìn)入整定，整個(gè)系統(tǒng)整定過程就會(huì)自動(dòng)進(jìn)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(yīng)商也為用戶提供了不同的運(yùn)動(dòng)損失補(bǔ)償方式。 不可忽略負(fù)載慣性
負(fù)載慣性與電機(jī)的慣性之間的比例系數(shù)也是一個(gè)重要的考慮因素。實(shí)際運(yùn)用中有很多系數(shù)值可用，而Baldor Electric推薦了負(fù)載慣性與電機(jī)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(huì)建議采用更高的慣性系數(shù)，但不管如何關(guān)鍵是要降低“慣性失配”的概率同時(shí)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(qū)動(dòng)負(fù)載”的慣性大小。Bosch Rexroth高級(jí)應(yīng)用工程師Brian Van Laar先生解釋說負(fù)載慣性比電機(jī)慣性大許多的話，就很難進(jìn)行快速的速度變化和定位了。在某些減速運(yùn)動(dòng)中，負(fù)載會(huì)反過來帶動(dòng)電機(jī)，引起過沖現(xiàn)象，致使穩(wěn)定時(shí)間增長。為避免慣性失配，他們公司給出了若干“適配標(biāo)準(zhǔn)”：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(nèi)提高齒輪比或滾珠間距，這樣做能夠減少負(fù)載慣性對(duì)電機(jī)的影響。選擇電機(jī)的同時(shí)也要考慮選擇適當(dāng)?shù)凝X輪比和滾珠間距，當(dāng)然也不能忘記考慮電機(jī)的大小。
而另一方面，適當(dāng)?shù)恼ǚ椒ǹ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(gè)項(xiàng)目，他們?cè)?jīng)為一臺(tái)包裝機(jī)的伺服系統(tǒng)做過人工整定，當(dāng)時(shí)慣性系數(shù)高達(dá)144:1。他們一共花了6個(gè)小時(shí)才將系數(shù)整定到適合值。慣性失配值過高系統(tǒng)的響應(yīng)就會(huì)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(gè)高慣性負(fù)載應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行過探討。 安裝電機(jī)注意事項(xiàng)
Baldor公司Mazurkiewicz先生提到了電機(jī)安裝過程中常見的幾個(gè)問題：
由于供電電壓不足會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行速度不夠。所以選擇電機(jī)時(shí)，要確保10%的電壓余量，以防低電壓的情況；并檢測電機(jī)兩端電壓。
由于低估負(fù)載重量或是發(fā)生去磁現(xiàn)象（系統(tǒng)帶有磁鐵時(shí)）會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(dòng)電機(jī)，使其以一個(gè)測試速度運(yùn)行，測量兩端電壓，然后啟動(dòng)另外一個(gè)電機(jī)以相同的速度運(yùn)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(jī)發(fā)生失磁現(xiàn)象。解決方法就是把電機(jī)送到制造商處重新磁化，并檢查原因加以改正。
圖3：GE Fanuc CNC高級(jí)整定采用步進(jìn)式評(píng)估方式以減少機(jī)器運(yùn)動(dòng)損失。
圖示為一個(gè)二軸系統(tǒng)運(yùn)作圖，從圖中不難看出最初的運(yùn)動(dòng)損耗（象限突起）
現(xiàn)象在第8 次評(píng)估中已被消除。 發(fā)生電機(jī)過熱現(xiàn)象可能由于轉(zhuǎn)矩過長，換句話說就是電機(jī)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(dāng)或是反饋設(shè)備校正不當(dāng)會(huì)引起紋波電流現(xiàn)象，他同時(shí)提醒用戶不要用手試探電機(jī)的溫度。尺寸合適的無刷伺服電機(jī)室溫下的工作溫度可達(dá)100℃～125℃！ 關(guān)注電機(jī)反饋設(shè)備
檢查分解器工作是否正常時(shí)，用歐姆表測量其阻值并檢查電機(jī)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(hào)±A和±B之間是否有5V方波。不要讓反饋設(shè)備的電線纏在一起。
一些機(jī)電控制則對(duì)反饋設(shè)備采取交替檢查的方式。像是Baldor Seriers II驅(qū)動(dòng)就具有“反饋出錯(cuò)提示”功能，可以檢測是否遺失信號(hào)補(bǔ)償并報(bào)錯(cuò)。
圖4：Danaher Notion 推出的Kollmorgen S200 伺服
驅(qū)動(dòng)和AKM伺服電機(jī)（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(yīng)用。 冷卻電機(jī)＝最佳運(yùn)行
系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)電機(jī)有副作用。然而，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（循環(huán)和線性）也會(huì)產(chǎn)生熱量對(duì)高精度機(jī)械產(chǎn)生影響，因?yàn)殡姍C(jī)是物理集成在機(jī)械結(jié)構(gòu)里面的。所以，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（DDM）優(yōu)先考慮采用液體進(jìn)行冷卻。DDM通常用于高速金屬切割機(jī)械中，比如激光切割機(jī)、木材作業(yè)機(jī)、橋式堆積機(jī)等。
Bosch Rexroth 自動(dòng)化和機(jī)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(jī)安裝的數(shù)量、位置、負(fù)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(gè)重要的考慮因素。機(jī)電相對(duì)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(huì)對(duì)冷卻劑壓降產(chǎn)生影響。
圖5：英國制造商 Unison TJP Electronics Ltd.彎管機(jī)采用Baldor 公司NextMove e100 軟
件能夠做到15 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸同步運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)多步彎管操作同時(shí)進(jìn)行。Baldor 無刷BSM系列伺
服電機(jī)控制每個(gè)彎頭，伺服驅(qū)動(dòng)具備制動(dòng)整定功能。 Rapp先生說系統(tǒng)如果有多個(gè)電機(jī)，就必須采用多回路冷卻器對(duì)每個(gè)電機(jī)進(jìn)行冷卻。利用傳感器測出每個(gè)電機(jī)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(huì)導(dǎo)致冷卻劑回路不暢，電機(jī)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(xué)腐蝕和泄漏。他還補(bǔ)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(jì)實(shí)惠。 多軸分解
伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軸越多，則系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、精確性和靈活性就會(huì)下降。B&R Industrial Automation建議多軸系統(tǒng)使用分布式運(yùn)動(dòng)控制，既可以減輕系統(tǒng)負(fù)荷又能夠簡化伺服驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制器間的通信。分布式運(yùn)動(dòng)控制可以運(yùn)用到打印、包裝、機(jī)器整理、流水線整合等方面。
集中式控制方式使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制器，比如說系統(tǒng)采用一個(gè)8軸或16軸的控制器，如果系統(tǒng)需要擴(kuò)展至10或18軸，可以再添加第二個(gè)控制器。而分布式運(yùn)動(dòng)控制（DMC）則截然不同。B&R公司Sandhoefner先生解釋說實(shí)際上，DMC使系統(tǒng)不再需要集中式運(yùn)動(dòng)控制器或CPU來進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗懈咚龠\(yùn)動(dòng)的計(jì)算都能在驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部完成。而各運(yùn)動(dòng)控制器之間也無需保持高度同步。同時(shí)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(bǔ)充說明，采用DMC，主控位能夠連接到快速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)（比如Ethernet Powerlink）中，這樣每個(gè)驅(qū)動(dòng)都能夠同時(shí)計(jì)算自己的相對(duì)位置。位置控制循環(huán)一旦重新設(shè)定，每個(gè)從屬位只也會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，當(dāng)然也在驅(qū)動(dòng)內(nèi)部完成動(dòng)作。所以，一臺(tái)機(jī)器上安裝了多少個(gè)軸都不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作產(chǎn)生不良的影響。哪怕是機(jī)器全速運(yùn)行時(shí)安裝一個(gè)新的模塊進(jìn)來，也不會(huì)有太大的影響。
最后請(qǐng)?zhí)嵝延脩粢稽c(diǎn)：運(yùn)用伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)千萬不可忽略制造商的相關(guān)資料以及他們的網(wǎng)站信息，這可都是很有價(jià)值的信息。 正確使用接地技巧、屏蔽技術(shù)，減少EMI
電磁干擾（EMI）會(huì)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(hào)與反饋信號(hào)分離等。Danaher Motion為提出一個(gè)“噪音檢查表”，它主要采用8個(gè)步驟來避免電池干擾。“噪音檢查表”作為一個(gè)獨(dú)立的伺服元件供應(yīng)給用戶（請(qǐng)?jiān)诰�點(diǎn)擊“更多詳情”）。
Bosch Rexroth也越來越注重高頻開關(guān)設(shè)備中的接地問題，比如伺服驅(qū)動(dòng)中常用的IGBT。高級(jí)應(yīng)用工程師Young Chon先生稱：“由于伺服系統(tǒng)運(yùn)作需要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)，所以采用高頻切換（設(shè)備）是非常有利的，但同時(shí)它也可能產(chǎn)生更多的電子噪聲。不過，機(jī)械使用者和終端用戶可以通過伺服供應(yīng)商提供的建議進(jìn)行合理屏蔽接地，避免運(yùn)作出錯(cuò)。”
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