伺服或者是步进出现偏位问题？现象、原因及解决办法

偏位问题 是使用步进或伺服电机的设备制造厂在设备装机调试以及设备使用过程中，所面临的常见问题之一。出现偏位可能是机械装配不当造成，可能是控制系统与驱动器信号不匹配，也可能是设备内电磁干扰、车间内设备互相干扰或者是设备安装时地线处理不妥当等造成。

机哥从众多应用案例中，提炼整理出最常见的偏位原因及对策，用以帮助设备厂家调试人员快速定位问题、采取各种适宜措施提高设备抗干扰性、为设备正确接地保证正常运行。

规律性偏位现象、原因及解决办法

Q:做往复运动，往前越偏越多（少）。

可能原因①：脉冲当量不对

原因分析 ：无论是同步轮结构还是齿轮齿条结构，都存在加工精度误差。运动控制卡（PLC）并没有设置准确的脉冲当量。例如上一批同步轮电机旋转一圈设备前进10mm，这批同步轮大一点电机转一圈前进了10.1mm，就会导致该批机器每次运行比以前的设备多走1%的距离。

解决方式 ：出机前用机器画一个尽可能大幅面的正方形，然后用尺去量实际尺寸，对比实际尺寸和控制卡设置尺寸之间的比例，然后将其加入控制卡运算，反复进行三次之后就会得到一个比较准确的值。

可能原因②：脉冲指令的触发沿与方向指令的电平变换时序冲突

原因分析 ：驱动器要求上位机发出的脉冲指令的沿与方向指令电平变换有一定时序要求。而部分PLC或运动控制卡编程时没满足这种要求（或者其自身的规则不符合驱动器的要求），导致脉冲和方向时序并不能满足要求而偏位。

解决方式 ：控制卡（PLC）软件工程师将方向信号提前。或者驱动器应用技术人员更改脉冲沿计数方式。

Q： 运动过程中电机在固定点抖动，过该点后能正常运行，但少走一段距离

可能原因：机械装配问题

原因分析：机械结构在某个点阻力较大。由于机械安装的平行度、垂直度或设计不合理的原因导致设备在某个点阻力较大，步进电机的力矩变化规律是速度越快力矩越小，很容易在高速段卡死，速度降下来却能走过去。

解决方式：1、检查机械结构出现卡死的原因，是该处摩擦阻力大还是滑轨装得不平行等。2、步进电机力矩不够。由于终端客户出现提速或者加大负载的要求，导致原本能满足要求的电机在高速力矩不够，从而发生高速段堵转的现象。解决方法可以通过驱动器设置更大输出电流或者在驱动器允许电压范围内提高供电电压，或更换更大转矩的电机。

Q:电机往复运动来回均没走到位且偏移量固定

可能原因： 皮带间隙

原因分析：皮带与同步轮之间存在反向间隙导致，往回走会存在一定量的空程。

解决方式：如运动控制卡具有皮带反向间隙补偿功能，可利用之；或者绷紧皮带。

Q：切绘轨迹不重合

可能原因①：惯量过大

原因分析：平板切绘机喷墨过程由光栅控制，扫描式运动，切割时走插补运动，两者轨迹不重合是因为，类似设备X轴小车惯量较小且由光栅定位，喷绘位置准确，而Y轴龙门结构惯量较大，电机响应性差，插补运动时Y轴跟随性不好导致轨迹部分偏位。

解决方式：增加Y轴减速比，使用陷波功能提高伺服驱动器刚性以解决该问题。

可能原因②：刀和喷头重合度没调好

原因分析 ：因为切绘机刀和喷头都装在X轴小车上但是两者有坐标差，切绘机上位机软件能调整这个坐标差做到刀和喷头轨迹重合，如果没调好，切绘轨迹会整体分离。

解决方式 ：修改刀和喷头位置补偿参数。

Q：画圆成椭圆

可能原因： XY轴平台两轴不垂直

原因分析：XY轴结构，图形偏位例如画圆成椭圆，正方形偏位成平行四边形。龙门结构X轴与Y轴不垂直时会导致该问题。

解决方式：调节龙门架X轴与Y轴垂直度可以解决该问题。

非规律性偏位现象、原因及解决办法

Q：运行过程中不定期出现偏位，偏位具有偶然性，偏位多少不确定

可能原因①：干扰原因导致电机偏位

原因分析：非周期性偏位大部分因为干扰导致，少部分因为运动控制卡发出的窄脉冲或者机械结构松动引起。

解决方式：如果干扰出现的比较频繁，则可以利用示波器监控脉冲频率确定干扰发生的时间进而确定干扰源，移除或者使脉冲信号远离干扰源能解决部分干扰。如果干扰出现的比较偶然，或者难以确定干扰源位置或电气柜已固定难以移动，则可以考虑采用以下措施来解决问题：

① 驱动器接地，

② 脉冲线更换双绞屏蔽线，

③ 脉冲正负端并联103陶瓷电容滤波（脉冲频率小于54kHz），

④ 脉冲信号套磁环，

⑤ 驱动器和控制器电源前端增加滤波器。

备注：常见的干扰源包括变压器、线圈式继电器、变频器、电磁阀、高压电线等。规划电气柜的时候应避免信号线靠近这些干扰源，信号线与高压供电线宜分不同线槽布线。

可能原因②：脉冲串出现窄脉冲

问题分析：客户运动控制卡发送脉冲串占空比较小或过大，出现窄脉冲，驱动器识别不了，导致偏位。

解决方式：查找控制器出现这种问题的原因，是脉冲接口问题，还是软件算法问题

可能原因③：机械结构松动

问题分析：连轴器、同步轮、减速机等用顶丝固定或螺丝夹紧的连接件在快速冲击场合运行一段时间可能出现松动，导致偏位。用键和键槽配合固定的同步轮则注意键和键槽之间是否存在间隙，齿轮齿条结构则注意两者之间的配合间隙。

解决方式：关键部分、受力大的结构螺丝一定用弹垫、而且螺丝或顶丝宜涂覆螺丝胶。电机轴与联轴器尽量用键槽连接。

可能原因④：滤波电容过大

问题分析：滤波电容过大，普通RC滤波器截止频率是1/2πRC，电容越大截止频率越小，一般驱动器脉冲端电阻为270欧姆，103陶瓷电容构成的RC滤波电路截止频率为54khz，频率高于此会因为幅值衰减过大而导致部分有效信号无法被驱动器正确检测到，最终导致偏位。

解决方式：加滤波电容时需要核算脉冲频率、一定要保证最大通过脉冲频率满足要求

可能原因⑤：PLC或者运动控制卡最大脉冲频率不够高

原因分析：一般PLC允许输出最大脉冲频率为100kHz，运动控制卡根据其发脉冲芯片不一样差异较大，特别是普通单片机开发的运动控制卡可能会因为脉冲频率不够高导致偏位。

解决方式：假如上位机最大脉冲频率有限，为了保证速度，可以适当降低驱动器细分，以保证电机转速。

用PLC怎么实现编码器的定位功能详解

严格来讲，编码器只会告诉你改如何定位，要如何执行，是需要靠PLC之类控制器或者步进电机来实现定位的，编码器好比人的眼睛，知道电机轴或者负载处于当前某个位置，工业上用的一般是光电类型编码器，下边简单说明一下。

简单说下编码原理和位置测量

光电编码器是在一个很薄很轻的圆盘子上，通过紧密仪器来腐蚀雕刻了很多条细小的缝，相当于把一个360度，细分成很多等分，比如成1024组，这样每组之间的角度差是360/1024度=0.3515625度。

然后有个精密的发光源，安装在码盘的一面，码盘的另外一面，会有个接收器之类的，使用了光敏电阻这些元件加放大和整形电路组成，这样码盘转动时候，有缝隙的地方会透光过去。

接收器会瞬间收到光脉冲，经过电路处理后，输出一个电脉冲信号，这样码盘旋转了一周，会对应输出1024个脉冲，第一个脉冲位置如果是0，第二个脉冲位置就是0.3515625°，第三个脉冲位置是0.3515625°*2。

以此类推，这样只要有仪器能读到脉冲个数，就可以知道码盘对应在什么位置了，如果把编码器安装到电机的轴上，电机轴和码盘是刚性连接，两者的位置关系会一一对应，通过读编码器脉冲，就可以知道电机的轴位置。

而电机轴，比如会通过同步带，齿轮，链条等带动一些负载，比如控制丝杆，这样会有个所谓电子齿轮比的关系，电机转一圈，丝杆会前进多少毫米，这样读到了对应编码器上输出多少给脉冲，通过脉冲数就可以反推出当前丝杆的位置。

但是编码器是圆的，如果无限制旋转下去，角度会无穷大，所以设计了一种增量型的编码器，转一圈，会输出三组信号ABZ，其中AB是一样的脉冲。

比如上边说的一圈有1024个脉冲，AB相脉冲对应一圈内的圆周角度，而且两种脉冲是处于正交状态的，如果是正反转，通过判断AB相脉冲的上升沿和下降沿的先后顺序，就可以知道编码器当前是顺时针还是逆时针方向旋转的，

另外有个Z相脉冲，是因为圆周虽然会不停转下去，角度会无穷无尽，但是都是一周一周的重复而已，零相脉冲固定在圆周某个位置，编码器每转一圈，只输出一个零相脉冲。

这样如果以Z相脉冲为基准点，这样每次读到这个脉冲时候，系统就清零一次，就可以让角度最大值控制在360°以内，相当于一个零基准点了。

这样即使系统断掉了，重新上电，只要能找到这个基准点，就可以知道丝杆的初始位置在什么地方了。

以上这种定位叫增量坐标系，所以编码器就是增量型编码器，应用比较广泛，因为灵活而且价格便宜。如果只设备只需要转一圈的，也就是角度在360°内的，编码器可以细分精密一点，比如有13位，相当于2^13次方个脉冲一圈，对应着360°，这种脉冲数和角度一一对应，不怕系统断电需要重新调整零位，这种编码器叫单圈绝对值编码器。

如果负载需要转多圈的，但是这个圈数也不能非常多，比如5圈，相当于5*360°=1800°，这样脉冲和1800°一一对应，这些在一些高档的数控机床上应用比较多，可以知道丝杆或者一些旋转工作的当前精密位置，而且不用担心系统断电归零问题。

此外，编码器还有磁电方式的，比如在码盘上加工了很多个南北间隔的小磁铁，通过霍尔去读小磁铁信号，输出信号，同样经过放大和整形变成了电脉冲，这点和光电编码器是类似的，而且价格会便宜点，可靠性会高，但是精度就比光电要差点。

PLC如何通过编码器判断位置

PLC能输入开关量，也就是一高一低的电平电压，而编码器脉冲信号，可以理解一定时间内，用极快的速度完成的一组开关量。

但是因为这种开关量的频率太高了，所以PLC的普通I/O口是无法准确读到这些脉冲的个数的，因为PLC工作过程中存在扫描周期，需要每个一段时间才去刷新一下普通I/O口的数据，而编码器的精度太高了，单位时间内输出的脉冲个数太多，普通I/O是无法胜任的。

一般PLC会设计有高速计数端口，本质是利用了底层单片机的硬件逻辑来完成这些编码器计数的，避开了扫描周期问题，PLC都设计有专门的高速计数指令，使用的时候，直接调用这些指令就可以读到当前的脉冲值了。

但是脉冲的计算和输出上，由于扫描周期存在，往往也会存在着滞后影响，如果用来控制一些执行机构，比如气缸来动作裁切动作，这样要考虑提前量的补偿问题。

提醒一下，如果想用PLC来控制伺服或者步进系统，往往并不需要通过编码器反馈来判断位置，通过一些PLS指令之类的来发出位置脉冲给伺服驱动器，位置环在伺服驱动器内部构成就好。

而PLC这边只是一个指令机构，并没有构成位置闭环，当然如果是专门定位模块控制，使用了NC之类的控制方式，是可以在里边构建位置闭环的。

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