伺服电机的运动误差分析

许国雄

摘要：目前，我国的伺服电机还处于起步阶段，与国外先进的公司，如西门子，松下还有巨大的差距。因而，研究伺服电机对我国的电机发展有巨大的意义。

关键词：伺服电机；伺服驱动装置；PID 位置控制原理；高精度传感和测试一、伺服电机的工作原理

（一）伺服电机的介绍。伺服电机（servo motor ）是发动机的一种，它的作用是在伺服系统中控制机械元件运转，能补冲马达，并且具有变速的功能。伺服电机按照电源的运用，可以划分为交流直流伺服电机两个品类。在自动控制系统中，伺服电机转子可以用作执行元件，而且它的速度收到给定的信号的控制，具备有启动快速的优点。

图1.1直流伺服电机图1.2交流伺服电机

（二）伺服电机的工作原理。直流伺服电机工作基于电磁感应定律，如图1.3 所示。由图中可以知道，线圈abcd经过换向片和电刷与外电路接通，所以构成一个闭合回路。

图1.3直流发电机原理示意图

二、PID 位置控制原理

（一）PID 简介。PID控制器做为最早实用化的控制器已经有将近百年的历史现阶段依旧是运用最广泛的工业控制器。

PID 控制器简单不难，使用中不需要准确的系统模型等等先天条件，所以成为运用最为广泛的控制器 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）构成。

（二）PID 位置控制原理。 PID 控制只是需要在线依据被控变量与给定值之间的误差和偏差的变化率等等简单参数，通过工程方法对比例系数、积分时间、微分时间三个参数进行调节，就能够获得令人满意的控制效果。PID 控制算法可以划分为位置型控制算法以及增量型控制算法，位置型控制算法如图2.1。

图2.1位置型控制算法原理图

（三）labview 软件介绍。美国国家仪器公司的工程师们凭借着强大的软件开发需要和丰富的硬件经验，他们努力开发了

labview 这个软件，它是专门为工程师研究开始设计的编程语言的，专业性十分强，也十分的容易掌握，简单明了。

三、实现伺服电机驱动一维模组做直线位移

（一）伺服系统。伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械位置和速度，是使物体的位置、方位、状况输出的被控量能够跟随输入目标值的任意改变的自动控制系统。伺服系统的作用是使输出的机械位移正确地跟踪输入的位移。伺服系统的主要任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪。伺服系统的基本特性是指将频宽远高于执行机构及负载的其他环节。

（二）一维模组直线位移。随科学技术的不断进步，应用者对滚珠丝杠的要求也越来越高，为了实现机械的平稳而且精度高的运行，所以滚珠丝杠的要求不但运行平稳，而且必须具备精度高，还有不会有阻滞现象。

图3.1是伺服电机驱动一维模组做直线位移规划位置和实际位置图，由图可以知道，黑色曲线和红色曲线这两条曲线是不重合的，它们是有误差的。造成的这个原因是，当电脑发出信号和电脑接受信号时是需要时间的，信号在传输的过程中，需要消耗时间，再加上实验仪器也是有一定的误差。所以才会导致这个现象的出现。

图3.1规划位置和实际位置图

由上位计算机控制运动控制卡发出脉冲，伺服电机处理后给驱动电路驱动电机转动，带动滚珠丝杠转化为直线运动，检测编码器反馈脉冲信号作为位置的测定。实验分三组数据进行，第一组设置 10000 个脉冲指令；第二组设置 15000 个脉冲指令；第三组设置 20000 个脉冲指令。从三组数据中可以得到表 3.1 中数据：

表 3.1

经过计算得出结论：在保持其他条件不变的时候，如果只改变运行脉冲，当给定的运行脉冲越高，误差也就会越小，实现伺服电机驱动一维模组做直线位移的规划位置和实际位置的就会越来越接近。

总结：利用labview这个软件，编程控制伺服电机驱动滚珠丝杆一维模组运动。在保持其他参数不变的情况下，改变运行速度的大小，实现伺服电机驱动滚珠丝杆运转起来。另外，本章还分析了伺服电机驱动滚珠丝杆的规划位置和实际位置，而且还粗略地分析了造成滚珠丝杆的规划位置和实际位置的误差的原因。最后分析得出结论，在保持其他条件不变的时候，如果只改变运行速度，当给定的运行速度越高，误差也就会越小，实现伺服电机驱动一维模组做直线位移的规划位置和实际位置的就会越来越接7