伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差分析

許國(guó)雄

摘要：目前，我國(guó)的伺服電機(jī)還處于起步階段，與國(guó)外先進(jìn)的公司，如西門子，松下還有巨大的差距。因而，研究伺服電機(jī)對(duì)我國(guó)的電機(jī)發(fā)展有巨大的意義。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)裝置；PID 位置控制原理；高精度傳感和測(cè)試一、伺服電機(jī)的工作原理

（一）伺服電機(jī)的介紹。伺服電機(jī)（servo motor ）是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，它的作用是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)，能補(bǔ)沖馬達(dá)，并且具有變速的功能。伺服電機(jī)按照電源的運(yùn)用，可以劃分為交流直流伺服電機(jī)兩個(gè)品類。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子可以用作執(zhí)行元件，而且它的速度收到給定的信號(hào)的控制，具備有啟動(dòng)快速的優(yōu)點(diǎn)。

圖1.1直流伺服電機(jī)圖1.2交流伺服電機(jī)

（二）伺服電機(jī)的工作原理。直流伺服電機(jī)工作基于電磁感應(yīng)定律，如圖1.3 所示。由圖中可以知道，線圈abcd經(jīng)過(guò)換向片和電刷與外電路接通，所以構(gòu)成一個(gè)閉合回路。

圖1.3直流發(fā)電機(jī)原理示意圖

二、PID 位置控制原理

（一）PID 簡(jiǎn)介。PID控制器做為最早實(shí)用化的控制器已經(jīng)有將近百年的歷史現(xiàn)階段依舊是運(yùn)用最廣泛的工業(yè)控制器。

PID 控制器簡(jiǎn)單不難，使用中不需要準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型等等先天條件，所以成為運(yùn)用最為廣泛的控制器 PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）構(gòu)成。

（二）PID 位置控制原理。 PID 控制只是需要在線依據(jù)被控變量與給定值之間的誤差和偏差的變化率等等簡(jiǎn)單參數(shù)，通過(guò)工程方法對(duì)比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能夠獲得令人滿意的控制效果。PID 控制算法可以劃分為位置型控制算法以及增量型控制算法，位置型控制算法如圖2.1。

圖2.1位置型控制算法原理圖

（三）labview 軟件介紹。美國(guó)國(guó)家儀器公司的工程師們憑借著強(qiáng)大的軟件開發(fā)需要和豐富的硬件經(jīng)驗(yàn)，他們努力開發(fā)了

labview 這個(gè)軟件，它是專門為工程師研究開始設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言的，專業(yè)性十分強(qiáng)，也十分的容易掌握，簡(jiǎn)單明了。

三、實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一維模組做直線位移

（一）伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機(jī)械位置和速度，是使物體的位置、方位、狀況輸出的被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值的任意改變的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是使輸出的機(jī)械位移正確地跟蹤輸入的位移。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)給定指令的準(zhǔn)確跟蹤。伺服系統(tǒng)的基本特性是指將頻寬遠(yuǎn)高于執(zhí)行機(jī)構(gòu)及負(fù)載的其他環(huán)節(jié)。

（二）一維模組直線位移。隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用者對(duì)滾珠絲杠的要求也越來(lái)越高，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械的平穩(wěn)而且精度高的運(yùn)行，所以滾珠絲杠的要求不但運(yùn)行平穩(wěn)，而且必須具備精度高，還有不會(huì)有阻滯現(xiàn)象。

圖3.1是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一維模組做直線位移規(guī)劃位置和實(shí)際位置圖，由圖可以知道，黑色曲線和紅色曲線這兩條曲線是不重合的，它們是有誤差的。造成的這個(gè)原因是，當(dāng)電腦發(fā)出信號(hào)和電腦接受信號(hào)時(shí)是需要時(shí)間的，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，需要消耗時(shí)間，再加上實(shí)驗(yàn)儀器也是有一定的誤差。所以才會(huì)導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3.1規(guī)劃位置和實(shí)際位置圖

由上位計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出脈沖，伺服電機(jī)處理后給驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)編碼器反饋脈沖信號(hào)作為位置的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)分三組數(shù)據(jù)進(jìn)行，第一組設(shè)置 10000 個(gè)脈沖指令；第二組設(shè)置 15000 個(gè)脈沖指令；第三組設(shè)置 20000 個(gè)脈沖指令。從三組數(shù)據(jù)中可以得到表 3.1 中數(shù)據(jù)：

表 3.1

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出結(jié)論：在保持其他條件不變的時(shí)候，如果只改變運(yùn)行脈沖，當(dāng)給定的運(yùn)行脈沖越高，誤差也就會(huì)越小，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一維模組做直線位移的規(guī)劃位置和實(shí)際位置的就會(huì)越來(lái)越接近。

總結(jié)：利用labview這個(gè)軟件，編程控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿一維模組運(yùn)動(dòng)。在保持其他參數(shù)不變的情況下，改變運(yùn)行速度的大小，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。另外，本章還分析了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的規(guī)劃位置和實(shí)際位置，而且還粗略地分析了造成滾珠絲桿的規(guī)劃位置和實(shí)際位置的誤差的原因。最后分析得出結(jié)論，在保持其他條件不變的時(shí)候，如果只改變運(yùn)行速度，當(dāng)給定的運(yùn)行速度越高，誤差也就會(huì)越小，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一維模組做直線位移的規(guī)劃位置和實(shí)際位置的就會(huì)越來(lái)越接7