伺服電機的運動誤差分析

許國雄

摘要：目前，我國的伺服電機還處于起步階段，與國外先進的公司，如西門子，松下還有巨大的差距。因而，研究伺服電機對我國的電機發展有巨大的意義。

關鍵詞：伺服電機；伺服驅動裝置；PID 位置控制原理；高精度傳感和測試一、伺服電機的工作原理

（一）伺服電機的介紹。伺服電機（servo motor ）是發動機的一種，它的作用是在伺服系統中控制機械元件運轉，能補沖馬達，并且具有變速的功能。伺服電機按照電源的運用，可以劃分為交流直流伺服電機兩個品類。在自動控制系統中，伺服電機轉子可以用作執行元件，而且它的速度收到給定的信號的控制，具備有啟動快速的優點。

圖1.1直流伺服電機圖1.2交流伺服電機

（二）伺服電機的工作原理。直流伺服電機工作基于電磁感應定律，如圖1.3 所示。由圖中可以知道，線圈abcd經過換向片和電刷與外電路接通，所以構成一個閉合回路。

圖1.3直流發電機原理示意圖

二、PID 位置控制原理

（一）PID 簡介。PID控制器做為最早實用化的控制器已經有將近百年的歷史現階段依舊是運用最廣泛的工業控制器。

PID 控制器簡單不難，使用中不需要準確的系統模型等等先天條件，所以成為運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）構成。

（二）PID 位置控制原理。 PID 控制只是需要在線依據被控變量與給定值之間的誤差和偏差的變化率等等簡單參數，通過工程方法對比例系數、積分時間、微分時間三個參數進行調節，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。美國國家儀器公司的工程師們憑借著強大的軟件開發需要和豐富的硬件經驗，他們努力開發了

labview 這個軟件，它是專門為工程師研究開始設計的編程語言的，專業性十分強，也十分的容易掌握，簡單明了。

三、實現伺服電機驅動一維模組做直線位移

（一）伺服系統。伺服系統是自動控制系統的一類，它的輸出變量通常是機械位置和速度，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值的任意改變的自動控制系統。伺服系統的作用是使輸出的機械位移正確地跟蹤輸入的位移。伺服系統的主要任務是實現執行機構對給定指令的準確跟蹤。伺服系統的基本特性是指將頻寬遠高于執行機構及負載的其他環節。

（二）一維模組直線位移。隨科學技術的不斷進步，應用者對滾珠絲杠的要求也越來越高，為了實現機械的平穩而且精度高的運行，所以滾珠絲杠的要求不但運行平穩，而且必須具備精度高，還有不會有阻滯現象。

圖3.1是伺服電機驅動一維模組做直線位移規劃位置和實際位置圖，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。造成的這個原因是，當電腦發出信號和電腦接受信號時是需要時間的，信號在傳輸的過程中，需要消耗時間，再加上實驗儀器也是有一定的誤差。所以才會導致這個現象的出現。

圖3.1規劃位置和實際位置圖

由上位計算機控制運動控制卡發出脈沖，伺服電機處理后給驅動電路驅動電機轉動，帶動滾珠絲杠轉化為直線運動，檢測編碼器反饋脈沖信號作為位置的測定。實驗分三組數據進行，第一組設置 10000 個脈沖指令；第二組設置 15000 個脈沖指令；第三組設置 20000 個脈沖指令。從三組數據中可以得到表 3.1 中數據：

表 3.1

經過計算得出結論：在保持其他條件不變的時候，如果只改變運行脈沖，當給定的運行脈沖越高，誤差也就會越小，實現伺服電機驅動一維模組做直線位移的規劃位置和實際位置的就會越來越接近。

總結：利用labview這個軟件，編程控制伺服電機驅動滾珠絲桿一維模組運動。在保持其他參數不變的情況下，改變運行速度的大小，實現伺服電機驅動滾珠絲桿運轉起來。另外，本章還分析了伺服電機驅動滾珠絲桿的規劃位置和實際位置，而且還粗略地分析了造成滾珠絲桿的規劃位置和實際位置的誤差的原因。最后分析得出結論，在保持其他條件不變的時候，如果只改變運行速度，當給定的運行速度越高，誤差也就會越小，實現伺服電機驅動一維模組做直線位移的規劃位置和實際位置的就會越來越接7