伺服电机如何选择脉冲、模拟量、通讯三种控制方式？

龙丰自动化

伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置，伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。


分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯这三种，在不同的应用场景下，我们该如何选择伺服电机的控制方式呢？


一、伺服电机脉冲控制方式
在一些小型单机设备，选用脉冲控制实现电机的定位，应该是最常见的应用方式，这种控制方式简单，易于理解，基本的控制思路：脉冲总量确定电机位移及距离，脉冲频率确定电机速度，选用了脉冲来实现伺服电机的控制，在各大伺服品牌厂家的技术手册上都有对应的脉冲+方向（符号）的控制方式图

都是脉冲控制，但是实现方式并不一样：
第一种：驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲，为双脉冲控制方式，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转，运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。


具有差分的特点，那也说明了这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式，但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口，对高速脉冲口紧张的情况，比较不适用。

第二种：驱动器依然接收两路高速脉冲，也是双脉冲控制方式，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态，选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出，两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行，和上面的情况一样，这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。



第三种：只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由另外一路输出信号确定，此方式为脉冲+方向（符号）控制方式，这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用也最少，在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。


注：脉冲控制方式，为集电极方式时，注意串接1.2K的电阻


二、伺服电机模拟量控制方式
在需要使用伺服电机实现速度控制或转矩控制的应用场景，我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制或转矩控制，PLC输出至伺服驱动器的模拟量的值决定了电机的运行速度或转矩的大小，模拟量有两种方式可以选择，电流或电压。


1、电压方式：只需要在控制信号端加入一般是0-10V的电压即可，在有些场景甚至使用一个电位器即可实现控制，非常的简单，但选用电压作为控制信号，在环境复杂的场景下，电压容易被干扰，造成控制不稳定。


2、电流方式：需要对应的电流输出模块，比如，由PLC的模拟量电流输出实现控制，但电流信号抗干扰能力强，可以使用在复杂的场景。


三、伺服电机通信控制方式
采用通信方式实现伺服电机控制的常见方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus DP、CC-LINK、ProfiNet等通信控制，使用通信方式来对电机进行控制，是目前一些复杂、大系统应用场景首选的控制方式，在这种方式下，系统的大小、电机轴的多少都易于裁剪，没有复杂的控制接线，搭建的系统具有极高的灵活性。

随着工业网络通信越来越普及，现在已经有越来越多的PLC及伺服自带有CAN、EtherCAT、ProfiNet等通信接口，这样通过通信控制伺服的方式会越来越普及及常态化。



四、拓展部分

1、伺服电机转矩控制

转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm，如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。


主要应用在对材质受力有严格要求的缠绕和放卷装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。


2、谈谈三环
伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。


最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。



第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建要根据实际情况来定，由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。


只要用心，勤奋，谦虚，上进；一切就会变得更美好，加油！