關鍵詞：伺服 位置控制 脈寬調制（SPWM） 單位脈沖 移動量 電子齒輪 設定
摘要：伺服系統位置控制模式的關鍵參數“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沖，控制電機位移量；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，冶金制造、分切輸送、機器人或機械手等領域，被控對象的動作越來越復雜化、多樣化，它們都涉及到各自的位置定位，并且有著越來越高的控制要求。交流伺服系統是目前工業自動化傳動技術的高端技術之一，它使得輸出的機械位移（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、速度和力矩三種控制方式，主要用于高精度的定位，可以滿足各類復雜機械位移（或轉角）變化定位要求。
◆ 對“電子齒輪”的理解
伺服系統一般具備三大環節：伺服電機、伺服驅動器和實施控制的上位機，上位機大都用PLC或單片機。如圖：
伺服電機是這個系統的執行元件，伺服系統靠脈沖來定位，而位置控制的基本點是上位機依據被控對象的具體控制要求，編制程序；伺服驅動器執行上位機程序，輸出脈沖。這樣，帶有特定程序規則的脈沖電源讓伺服電機驅使機械部件實現位移或轉角，完成工序作業任務。可見無論控制對象的要求千變萬化，其準確的位置定位必然與脈沖的數量和每單位脈沖期間機械部件的移動量這樣兩個要素密切相關。
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）關系，俗稱速比。由于機械結構的特點，這樣的機械傳動系統一旦確立，那么減速裝置的速比就是固定的，如果需要調整，就意味可能廢除原有硬件，重新制作安裝，顯然不是很方便。能不能找到更方便且有效的途徑，讓機械系統的速度變化在一定的范圍內可調整、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)作為控制核心，實現比較復雜的控制算法，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,以減小啟動過程中的浪涌電流對驅動器的沖擊。伺服驅動器的輸出電源是對交流三相或單相電進行整流，得到相應的直流電，通過正弦脈寬調制(SPWM)電壓型逆變器變頻來驅動伺服電機。這樣伺服電機接受來自驅動器輸出的脈沖，在脈沖寬度的時間段內，電機實現位移，一串這樣的脈沖就使得電機旋轉起來，進而驅動機械負載。由于伺服驅動器輸出電源采用了正弦脈寬調制技術，這種技術的特點是輸出的脈沖串不等寬，它可以根據控制信號來產生脈寬。如此，伺服電機的移動量就可以隨脈寬的可控特性來選擇、設定，靈活調整而未必變更硬件。換句話說，即使相同頻率的脈沖串，由于用戶對電機在其對應的脈沖寬度內移動量的設定值不一樣，電機速度乃至負載側速度就會不一樣，它所起的作用與機械變速齒輪相似，但是卻不像機械變速齒輪那樣有形，于是有了個與機械對應的說法：“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沖進行移動。
◆ “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，這一點對于旋轉工作臺類機械而言尤為突出。
二．負載軸轉一周的移動量 對于不同工序要求的機械系統，負載軸一轉完成的移動量不一樣，絲桿類行進的是螺旋長度；圓臺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鍵部件，因為伺服電機接收脈沖每旋轉一個角度，編碼器就會發出對應數量的脈沖，回饋給伺服驅動器，與伺服電機接收的脈沖形成呼應，稱為閉環。有了這種環節，伺服控制系統就會對發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，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，顯然這個數值越高，表示每轉發出的數字脈沖越細分，檢測精度也會相應提高。當然它是與伺服電機一體安裝的，用戶在選擇伺服電機時配套考量。
四．每指令脈沖對應的移動量 （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系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 在機械減速器已確定的前提下，受上位機或伺服驅動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速度的關系如下：
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，相當于在一個脈沖寬度內位移由0.1修改成0.01。換言之，原來一個脈沖的位移，現在要十個脈沖來完成，其相對定位精度自然會比修改前高。
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密切關系，伺服系統為用戶提供數字控制平臺，而用戶則應在滿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，便于取舍。
為了確保伺服系統正常運行，制造商會對“電子齒輪”的比值范圍作出限制，并且提醒用戶，如果超出限制范圍會產生可能的后果，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面厘清主次，尋求平衡。
