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伺服开环力控性能的影响因素

伺服力控技术主要分为全闭环与开环两大流派。全闭环力控以其zhuoyue的精度著称，能够实现误差控制在10±1g以内甚至更高，这一成就得益于外部精密压力传感器的加持，其响应速度略逊一筹，压力响应时间约为150ms以内，但其长期运行的稳定性无可比拟，有效抑制了伺服系统长期作业下参数漂移的影响。相较之下，开环力控则以更快的响应速度与适中的精度吸引了广泛关注。它能够在20±5g的精度范围内高效运行，压力响应时间缩短至80ms以内，展现出极高的效率与灵活性。开环力控的性能表现高度依赖于伺服驱动器、电机及机械结构的综合性能，对这些核心组件的参数精度及其长期一致性提出了更为严苛的要求。本期文章将深入剖析这些关键参数，揭示它们如何微妙地影响着开环力控的性能表现，为追求jizhi加工柔性与精度的工程师们提供宝贵的参考与洞见。

（图片来源于网络）

伺服系统是一个集位置反馈、速度反馈和电流反馈于一体的三环闭环系统，对于普通的位置和速度控制功能大多数伺服系统都可以满足，评价位置控制的核心性能是位置精度以及位置响应，评价速度控制的核心性能是速度波动以及速度响应，评价电流控制的核心性能是电流精度和电流响应。伺服系统架构如上图所示。

伺服系统开环力控的数学计算如下：

"Tmotor=Iq *  Kt            "To=Tmotor-Tf" 

Tmotor是伺服电机扭矩，单位为牛米（N-m）Iq 是伺服电机的解耦后的Q轴电流，
单位为安培（A）Kt 是伺服电机的扭矩常数，
单位为牛米/安培（N.m/A）Tf是机械系统的摩擦力，单位为牛米（N-m）To是伺服系统的输出扭矩，单位为牛米（N-m）

为了提高伺服系统开环力控的性能，需要保证Iq、Kt、Tf的参数更优，我们基于以上的数学计算来分别讲述几种方案下这些参数的差异和性能影响。

Iq是伺服电机的解耦后的Q轴电流，这个电流的精度是开环力控的起点，是开环力控的核心指标，该电流精度影响因素主要是电机相电流的采样精度和解耦运算。目前交流伺服的电流精度和Kt精度普遍都不高，决定了交流伺服系统不适合做力控的场景。并且对于直流伺服系统而言，目前驱动器的精度也有很大差距。

品牌精度ISMC

-10mA +10mA（1A）

-30mA +30mA（10A）

国际E品牌厂商-20mA+30mA国内GT品牌厂商-40mA+30mA国内G品牌厂商-60mA+60mA

Kt是伺服电机的扭矩常数，这个参数是电机的核心性能指标，对于普通伺服电机，一般在规格书标称的10~20%的范围波动，并且受到温度和长期寿命的显著影响，对于直驱电机该参数性能会显著提升。Kt在不同温度、长期寿命下随电流变化的线性度，这个是衡量电机的Zui重要的性能指标之一。Kt常数一般通过maxwell电磁仿真和实际测量后获得。

Tf是机械系统的摩擦力，目前机械系统有伺服电机+凸轮结构和直驱系统两种方案。对于伺服电机+凸轮结构的机械系统，凸轮的摩擦力Tf的一致性较差，难以满足高力控的场景需求，只能满足简单的力控检测报警。而对于直驱系统，摩擦力Tf受导轨和材料的影响较大，能够满足绝大多数的力控场景需求，Tf是电机一致性的核心性能之一。对于部分极高力控精度需求的场景，可以采用气浮结构，排除摩擦力的影响。

ISMC

力控方案★

示意图：

ISMC力控方案测试对比数据：

测试电机：D品牌ZR电机

ISMC国内GT品牌厂商峰峰值21-25.5g15.4-24.1g力波动4.5g8.7g