西門子伺服電機(jī)如何選擇脈沖、模擬量、通訊三種控制方式？

在一些小型單機(jī)設(shè)備，選用脈沖控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定位，應(yīng)該是最常見的應(yīng)用方式，這種控制方式簡單，易于理解。

基本的控制思路：脈沖總量確定電機(jī)位移，脈沖頻率確定電機(jī)速度。選用了脈沖來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制，翻開伺服電機(jī)的使用手冊(cè)，一般會(huì)有如下這樣的表格：

都是脈沖控制，但是實(shí)現(xiàn)方式并不一樣：

第一種，驅(qū)動(dòng)器接收兩路(A、B路)高速脈沖，通過兩路脈沖的相位差，確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。如上圖中，如果B相比A相快90度，為正轉(zhuǎn)；那么B相比A相慢90度，則為反轉(zhuǎn)。

運(yùn)行時(shí)，這種控制的兩相脈沖為交替狀，因此我們也叫這樣的控制方式為差分控制。具有差分的特點(diǎn)，那也說明了這種控制方式，控制脈沖具有更高的抗干擾能力，在一些干擾較強(qiáng)的應(yīng)用場景，優(yōu)先選用這種方式。但是這種方式一個(gè)電機(jī)軸需要占用兩路高速脈沖端口，對(duì)高速脈沖口緊張的情況，比較不適用。

第二種，驅(qū)動(dòng)器依然接收兩路高速脈沖，但是兩路高速脈沖并不同時(shí)存在，一路脈沖處于輸出狀態(tài)時(shí)，另一路必須處于無效狀態(tài)。選用這種控制方式時(shí)，一定要確保在同一時(shí)刻只有一路脈沖的輸出。兩路脈沖，一路輸出為正方向運(yùn)行，另一路為負(fù)方向運(yùn)行。和上面的情況一樣，這種方式也是一個(gè)電機(jī)軸需要占用兩路高速脈沖端口。

第三種，只需要給驅(qū)動(dòng)器一路脈沖信號(hào)，電機(jī)正反向運(yùn)行由一路方向IO信號(hào)確定。這種控制方式控制更加簡單，高速脈沖口資源占用也最少。在一般的小型系統(tǒng)中，可以優(yōu)先選用這種方式。

在需要使用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制的應(yīng)用場景，我們可以選用模擬量來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制，模擬量的值決定了電機(jī)的運(yùn)行速度。

模擬量有兩種方式可以選擇，電流或電壓。

電壓方式：只需要在控制信號(hào)端加入一定大小的電壓即可，在有些場景甚至使用一個(gè)電位器即可實(shí)現(xiàn)控制，非常的簡單。但選用電壓作為控制信號(hào)，在環(huán)境復(fù)雜的場景下，電壓容易被干擾，造成控制不穩(wěn)定。

電流方式：需要對(duì)應(yīng)的電流輸出模塊，但電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，可以使用在復(fù)雜的場景。

采用通信方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制的常見方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信方式來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，是目前一些復(fù)雜、大系統(tǒng)應(yīng)用場景的控制方式。在這種方式下，系統(tǒng)的大小、電機(jī)軸的多少都易于裁剪，沒有復(fù)雜的控制接線。搭建的系統(tǒng)具有的靈活性。

1、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm。如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。

主要應(yīng)用在對(duì)材質(zhì)受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、伺服電機(jī)位置控制：

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置，數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

3 、伺服電機(jī)速度模式：

通過模擬量或脈沖頻率的輸入都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位機(jī)反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

4、談?wù)?環(huán)

伺服一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。

第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機(jī)編碼器的信號(hào)來進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。

第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。