Schneider 伺服電機 BSH1002P31F2A

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編碼器的ABZ相

A相、B相、Z相旋轉(zhuǎn)輸出脈沖電壓，三相脈沖各自獨立，A相和B相脈沖量相等，但是A相和B相之間存在一個90°（電氣角的一周期為360°）的電氣角相位差，可以根據(jù)這個相位差來判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時，A相超前B相90°*行相位輸出，反轉(zhuǎn)時，B相超前A相90°*行相位輸出。Z相為一圈一個脈沖電壓。

編碼器線制：

是與編碼器線數(shù)*不同的概念，指編碼器接線數(shù)，如下圖為5線制編碼器接線圖：

2.2倍頻

注意： 只有增量式編碼器具備倍頻功能。絕對式碼盤在任意位置都可給出與位置相對應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)角輸出量，不存在四倍頻的問題。

方波輸出有兩種，單相編碼器輸出一相脈沖，正交編碼器輸出兩相相位相差90度的脈沖（在0度、90度、180度、270度相位角,這四個位置有上升沿和下降沿）。

編碼器計數(shù)的時候可以只記上升沿（無倍頻），單相脈沖記上升沿和下降沿（2倍頻）；正交脈沖記所有上升沿就是2倍頻，記所有上升和下降沿就是4倍頻（方波最多只能做到4倍頻）。

以正交編碼器為例，4倍頻的意義在于在1/4T方波周期就可以有方向變化的判斷，這樣1/4的T周期就是最小測量步距，通過電路對于這些上升沿與下降沿的判斷,可以4倍于PPR讀取位移的變化,這就是方波的四倍頻。這種判斷，也可以用邏輯來做，0代表低，1代表高，A/B兩相在一個周期內(nèi)變化是0 0，0 1，1 1，1 0 。這種判斷不僅可以4倍頻，還可以判斷移動方向。

從經(jīng)濟性來講，采用倍頻電路可以有效提高分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，從而減少旋轉(zhuǎn)編碼器的制作難度和成本。

舉例：如果電機裝了一個2500線編碼器，則在不倍頻的情況下，電機每轉(zhuǎn)一圈可輸出2500個脈沖；如果經(jīng)過4倍頻電路處理，則可以得到一圈10000個脈沖的輸出，電機一圈為360°，所以每個脈沖代表的位置為360°/10000，相比360°/2500, 分辨率提高4倍。

需要注意的是，四倍頻2500線增量式編碼器轉(zhuǎn)一圈同樣需要輸入10000個脈沖。

2.3電機剛性與負(fù)載慣量比

電機剛性

電機剛性（與柔性相對）就是電機軸抗外界力矩干擾的能力，即電機轉(zhuǎn)子的自鎖能力。在伺服設(shè)置中，可以設(shè)定剛性等級，通常根據(jù)慣量比以及傳動連接方式大致估測。

剛性與響應(yīng)速度有關(guān)，一般情況下，剛性高的機械可通過提高伺服增益來提高響應(yīng)性能：剛性越強，對應(yīng)的速度環(huán)增益越大，其響應(yīng)速度也越高，但是過高容易讓電機產(chǎn)生機械共振，無法提高響應(yīng)性能：在定位命令結(jié)束后，即使電機本身已經(jīng)接近靜止，機械傳動端仍會出現(xiàn)持續(xù)擺動。因此有高響應(yīng)需求的場合需要剛性較高的機械以避免機械共振。注意這里的機械剛性指機械的動態(tài)剛性，即機床抵抗受迫振動的能力大小。

在伺服應(yīng)用中，用聯(lián)軸器來連接電機和負(fù)載，就是剛性連接；而用同步帶或者皮帶來連接電機和負(fù)載，就是柔性連接。

響應(yīng)時間：

電氣系統(tǒng)的響應(yīng)時間，即給定一個位置、速度、轉(zhuǎn)矩指令，到電機運行至該位置、速度、轉(zhuǎn)矩的時間。

對響應(yīng)速度和剛性關(guān)系的具體解釋：

在位置模式下，用力讓電機偏轉(zhuǎn)，如果伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度夠快，當(dāng)伺服系統(tǒng)剛剛檢測到偏差就立即輸出一個較大的反向力，則電機偏轉(zhuǎn)角度較小，說明伺服系統(tǒng)剛性較強。

轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

計算負(fù)載慣量的目的就是為計算加/減速轉(zhuǎn)矩。

任何旋轉(zhuǎn)物體均有慣量存在，慣量大小直接反應(yīng)旋轉(zhuǎn)時加/減速所需轉(zhuǎn)矩大小及時間長短。因此選用電機時必須計算出電機的負(fù)載慣量，才能據(jù)此選擇所需電機的規(guī)格。如若選定的電機無法在希望的加速時間到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)速，必定是電機輸出轉(zhuǎn)矩不符合負(fù)載的需求，須加大電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

關(guān)于力矩、轉(zhuǎn)矩和扭矩

力矩：力對剛體轉(zhuǎn)動的影響，不僅與力的大小和方向有關(guān)，還與力相對于轉(zhuǎn)矩的位置有關(guān)，為了描述力對剛體轉(zhuǎn)動的作用，需要引入力對轉(zhuǎn)軸的力矩這一新的物理量。

轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩即轉(zhuǎn)動力矩，一般指旋轉(zhuǎn)的物體所受到的力矩。

扭矩：任何元件在轉(zhuǎn)矩的作用下，必定產(chǎn)生某種程度的扭轉(zhuǎn)變形，因此習(xí)慣上又常把轉(zhuǎn)動力矩叫扭轉(zhuǎn)力矩，簡稱扭矩。

負(fù)載慣量比

電機慣量指的是轉(zhuǎn)子本身的慣量（即轉(zhuǎn)動慣量，只跟轉(zhuǎn)動半徑和物體質(zhì)量有關(guān)），分為大、中、小慣量，從響應(yīng)角度來講，電機的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)小為好；從負(fù)載角度來看，電機的轉(zhuǎn)子慣量越大越好。

負(fù)載慣量由工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成（即機械負(fù)載總慣量）.適用負(fù)載慣量通常小于伺服電機慣量的 5 倍，一般負(fù)載慣量超過電機轉(zhuǎn)子慣量的10倍，可以認(rèn)為慣量較大。

負(fù)載慣量比 = 負(fù)載慣量 / 電機自身轉(zhuǎn)動慣量

電機剛性與負(fù)載慣量比之間的關(guān)系

負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量對伺服電機傳動系統(tǒng)的剛性影響很大，負(fù)載慣量比越大，伺服允許的剛性等級越低。固定增益下，伺服剛性相對轉(zhuǎn)動慣量比過高時，易引起機械共振；反之則電機響應(yīng)速度遲鈍。為此需要做到慣量匹配，即設(shè)置合適的負(fù)載慣量比。一般是要調(diào)控制器增益改變系統(tǒng)響應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到慣量匹配；也可以選用剛性較高的機臺以避免機械共振（機臺具有的容許響應(yīng)頻率）。

在伺服設(shè)定時，用戶可自行選擇剛性等級，伺服驅(qū)動器將自動產(chǎn)生一組匹配的增益參數(shù)，滿足快速性與穩(wěn)定性的需要，其前置條件為已正確獲得負(fù)載慣量比。

如何理解伺服電機的剛性和慣量？

淺談剛性、慣量、響應(yīng)時間及伺服增益調(diào)整之間的關(guān)系

2.4電子齒輪

基本概念

電子齒輪：簡單地說就是用電氣控制技術(shù)代替機械傳動機構(gòu)。一般來說，電機與驅(qū)動機構(gòu)是直連的，機械結(jié)構(gòu)固定后，傳動比也就固定了；利用電子齒輪可以增加傳動系統(tǒng)的柔性，提高傳動精度。

電子齒輪比：電機編碼器接收脈沖與上位機發(fā)送脈沖之比，可在驅(qū)動器或者控制器上設(shè)置。由此可知：

例：車床用 10mm 絲杠，電機轉(zhuǎn)動一圈機械移動 10mm，每移動 0.001mm 就需要電機旋轉(zhuǎn) 1/10000 圈（0.001/10），而如果連接 5mm 絲杠（即電機轉(zhuǎn)動一圈機械移動 5mm），且直徑編程的話，每 0.001 的位移量就需要 1/5000 轉(zhuǎn)，這時可以用電子齒輪設(shè)置，就可以保持脈沖當(dāng)量不變。

詳見：電子齒輪比計算方法

脈沖當(dāng)量

脈沖當(dāng)量是指控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產(chǎn)生的定位控制移動的位移。即單位脈沖的位移。線性運動是指距離，圓周運動是指角度。脈沖當(dāng)量越小，定位控制的分辨率越高，加工精度也越高。所有的定位控制位移量以脈沖量為單位計算脈沖數(shù)。

3伺服系統(tǒng)控制原理

3.1三環(huán)控制

運動伺服一般都是三環(huán)控制系統(tǒng)，從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流環(huán)反應(yīng)速度最快，速度環(huán)的反應(yīng)速度必須高于位置環(huán)，否則將會造成電機運轉(zhuǎn)的震動或反映不良。伺服驅(qū)動器的設(shè)計可盡量確保電流環(huán)具備良好的反應(yīng)性能，故用戶只需調(diào)整位置環(huán)、速度環(huán)的增益即可。

伺服的控制方式有3種，分別是位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

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