伺服电机如何停止

伺服电机精准停止是实现工业自动化设备高精度定位的关键技术环节。本文系统剖析了伺服电机从动态运转到完全静止的完整控制逻辑，涵盖了基于脉冲控制、转矩限制及外部信号触发等多种核心停止策略。通过解析急停安全回路设计、制动单元选型准则以及参数整定方法，深入探讨了不同工况下抑制过冲、振动问题的工程实践方案。文章还结合具体应用场景，对比分析了伺服驱动器（伺服驱动器）内部功能模块在软停止与硬停止模式下的协同工作机制，为设备工程师提供了一套完整的优化调试方法论。

       伺服系统停止机制的基础原理

       伺服电机的停止过程本质上是将动能转化为热能或势能的能量管理过程。当伺服驱动器（伺服驱动器）接收到停止指令时，其内部控制回路会立即进入能量耗散阶段，通过逆变电路将电机绕组中储存的电磁能反向释放到制动电阻（制动电阻）上。这个过程涉及位置环、速度环和电流环的三环协同控制：位置环计算剩余位移量，速度环生成降速曲线，电流环则精确控制绕组电流相位以实现平稳制动。值得注意的是，伺服电机在零速状态下仍保持足够的磁通量以维持位置锁定，这种特性使其区别于普通电机的自由停车模式。

       脉冲控制模式下的停止逻辑

       在位置控制模式中，伺服电机的运动完全依赖于控制器发送的脉冲序列。停止实现方式主要有两种：一是通过逐渐降低脉冲频率实现软停止，二是突发性终止脉冲输送实现硬停止。软停止过程中，驱动器会按照预设的加减速时间常数（加减速时间常数）平滑降低脉冲频率，使电机沿S形曲线平稳减速。这种方式的优势在于能有效抑制机械冲击，特别适用于精密传输设备。而硬停止虽然响应迅速，但容易引发过冲现象，需要配合电子齿轮比（电子齿轮比）参数进行精确校准。

       转矩限制功能的制动应用

       通过设定负向转矩限制值（转矩限制值），可使伺服电机进入发电机工作状态。当检测到实际转矩达到设定阈值时，驱动器会自动调节电流矢量角度，使电机输出与旋转方向相反的制动力矩。这种方法在卷绕设备中尤为有效，既能保证材料张力恒定，又能实现快速停止。工程实践中需注意转矩限制值的设定精度，过小会导致制动无力，过大则可能引起机械结构过载。部分高端伺服驱动器还支持动态转矩限制功能，可根据实时转速自动调整限制值曲线。

       外部信号触发的紧急停止

       急停信号（急停信号）通过硬接线直接切断伺服使能回路，属于最高优先级的停止方式。符合安全标准的急停电路必须采用双通道冗余设计，配合安全继电器（安全继电器）构成强制断开机构。当急停按钮被触发时，驱动器会立即封锁功率元件输出，同时激活动态制动（动态制动）功能。值得注意的是，急停后的机械抱闸（机械抱闸）延迟时间必须精确设定，过早闭合会导致制动器磨损，过晚则可能发生滑移。

       伺服驱动器内部停止模式

       现代伺服驱动器通常集成多种停止算法，包括零钳位停止（零钳位停止）、比例停止（比例停止）和惯性停止（惯性停止）。零钳位模式通过将速度指令强制归零实现快速停止，适用于高刚性传动系统；比例停止则根据位置偏差按比例计算制动力，多用于闭环定位场景；惯性停止完全断开动力输出，依靠系统摩擦阻力自然停止，常见于故障安全状态。工程师可通过参数组切换这些模式，并根据负载转动惯量（转动惯量）进行个性化调整。

       制动电阻的选型计算

       制动电阻的功率容量直接决定伺服系统的制动性能。选型时需要综合计算制动转矩、减速时间和循环周期三个关键参数。具体计算公式为：电阻功率=（电机转动惯量×角速度平方）/（2×制动时间×负载率）。在实际应用中，还需考虑环境温度降额系数，一般要求实际使用功率不超过电阻标称功率的60%。对于频繁启停的场合，建议选用带散热鳍片的波纹电阻，并将其安装在驱动器通风路径上以增强散热效果。

       机械制动器的协同控制

       带有抱闸装置的伺服电机需要精确时序控制。标准流程为：接收到停止指令后，驱动器先进行电制动将转速降至触发阈值（通常为50转/分钟），然后输出24伏直流电（24伏直流电）控制信号释放制动器电磁铁，最后完全切断电机电源。重启时则需反向操作，先通电后释放制动器。为避免滑移现象，制动器响应时间应校准在10毫秒以内，且保持力矩需大于负载静态力矩的1.5倍。

       抑制停止过冲的参数整定

       过冲现象主要源于伺服增益参数不匹配。调整时应遵循先速度环后位置环的原则：逐步提高速度环比例增益（速度环比例增益）直至出现轻微振荡，然后回调10%；位置环比例增益（位置环比例增益）的设置值通常为速度环增益的1/5至1/3。对于变负载场合，可启用前馈补偿（前馈补偿）功能，通过预测负载变化提前调整控制输出。实验表明，加入加速度前馈可使停止精度提升40%以上。

       振动抑制算法的调试方法

       伺服电机停止时的机械振动可通过陷波滤波器（陷波滤波器）进行抑制。首先使用驱动器自带的频率分析功能捕捉共振点，然后在对应频率设置宽度为5赫兹至10赫兹的陷波带。对于多段传动系统，建议采用自适应滤波器（自适应滤波器）实时跟踪共振频率变化。某数控机床案例显示，经过优化后停止振动幅度从±3弧分降低到±0.5弧分，同时定位时间缩短了20%。

       不同负载特性的停止策略

       针对惯量比（惯量比）大于10的高惯性负载，应采用分段减速策略：前期使用较大制动力快速降速，在接近目标位置时切换为精细制动模式。对于皮带传动等弹性负载，则需要加入振动抑制算法避免停止后的余振。而垂直安装的伺服系统必须考虑重力补偿，在下降停止时适当减小制动力，上升停止时相应增加制动力，防止负载下滑或冲顶。

       安全标准与故障防护

       符合工业安全规范的停止系统必须满足性能等级（性能等级）d级要求。关键措施包括：设置独立于控制器的安全扭矩断开（安全扭矩断开）功能，配置制动器状态监测回路，以及建立伺服就绪信号连锁机制。当检测到编码器异常或电源波动时，系统应自动转入安全停止模式。根据统计数据，完善的安全设计可使伺服系统故障率降低70%以上。

       停止精度的影响因素分析

       最终停止精度取决于编码器分辨率、机械背隙和控制周期等多重因素。17位绝对值编码器（绝对值编码器）理论上可实现±5弧秒的重复定位精度，但实际应用中需考虑温度引起的丝杠热膨胀补偿。控制周期方面，当前主流伺服驱动器已将速度环周期缩短至62.5微秒，但要注意过快的周期可能放大测量噪声，反而影响停止稳定性。

       能耗制动与回馈制动对比

       传统能耗制动将动能转化为电阻热量，而回馈制动（回馈制动）可将能量逆变回电网。后者虽然节能效率可达30%，但需要配置专用电网适配器且成本较高。选择方案时应核算制动频次：每日制动次数超过1000次的场合建议采用回馈制动，普通设备使用能耗制动即可满足需求。某包装机械改造案例显示，采用回馈制动后每年节电约12000千瓦时（千瓦时）。

       特殊工况下的停止优化

       在快速往复运动场合，可采用“预减速点+精确制动”的双阶段控制策略。即在距离目标位置一定角度时提前开始平滑减速，到达精定位区域时再启动全功率制动。对于多电机同步系统，则需要建立主从同步停止协议，通过实时通信调整各轴停止时序。某电子装配线应用表明，这种优化使多个伺服轴的停止同步误差控制在0.1毫秒以内。

       停止过程的数据监测

       利用伺服驱动器的数据记录功能（数据记录功能）可捕获停止过程的关键参数。建议重点监测停止超调量（停止超调量）、制动电流峰值和定位稳定时间三个指标。通过对比不同参数设置下的数据曲线，可以直观评估调整效果。某企业通过建立停止性能数据库，将设备调试时间从平均3小时缩短到45分钟。

       维护保养要点

       定期维护是保证停止性能稳定的关键。每半年应检测制动器衬片磨损情况，当厚度低于原值50%时必须更换。每月需使用红外热像仪检查制动电阻温升，异常发热往往预示参数设置不当。对于高使用频次设备，建议每2000小时清理编码器接口并紧固电源接线端子，防止接触电阻增大影响制动效果。

       未来技术发展趋势

       随着人工智能技术在运动控制领域的渗透，自适应停止算法正在成为研究热点。这类算法可通过机器学习实时优化制动曲线，应对不确定负载变化。另外，集成安全功能的系统级芯片（系统级芯片）将安全停止响应时间缩短至微秒级。预计未来五年内，具有自诊断功能的智能伺服系统将成为工业标准配置。