伺服系統位置控制中的「電子齒輪」分析

　　現代工業的發展，在機械加工，冶金製造、分切輸送、機器人或機械手等領域，被控對象的動作越來越複雜化、多樣化，它們都涉及到各自的位置定位，並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，主要用於高精度的定位，可以滿足各類複雜機械位移（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，伺服系統靠脈衝來定位，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，編製程序；伺服驅動器執行上位機程序，輸出脈衝。這樣，帶有特定程序規則的脈衝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衝的數量和每單位脈衝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）關係，俗稱速比。由於機械結構的特點，這樣的機械傳動系統一旦確立，那麼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體，重新製作安裝，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範圍內可調整、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，它採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，實現比較複雜的控制算法，達到數位化、智能化；其功率器件採用以智能功率模塊（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，在主迴路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程中的浪湧電流對驅動器的衝擊。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，通過正弦脈寬調製（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衝，在脈衝寬度的時間段內，電機實現位移，一串這樣的脈衝就使得電機旋轉起來，進而驅動機械負載。由於伺服驅動器輸出電源採用了正弦脈寬調製技術，這種技術的特點是輸出的脈衝串不等寬，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體。換句話說，即使相同頻率的脈衝串，由於用戶對電機在其對應的脈衝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，於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衝進行移動。

 「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：