伺服电机扭矩模式（Torque Mode）：原理、应用与实操指南

伺服电机的扭矩模式是三大核心控制模式（位置 / 速度 / 扭矩）之一，核心逻辑是直接控制电机输出扭矩的大小和方向，而非控制位置或转速 —— 扭矩由电流决定（扭矩与电枢电流成正比），控制器通过调节输出电流，使电机实际扭矩跟踪设定扭矩，适用于需要精准力控、负载对抗或张力控制的场景。

一、核心原理：扭矩如何被精准控制？

伺服电机的电磁扭矩遵循公式：T = Kt × Ia

T：输出扭矩（单位：N・m）
Kt：电机扭矩常数（N・m/A，电机固有参数，由电机设计决定）
Ia：电枢电流（单位：A，流经电机绕组的电流）

因此，扭矩模式的本质是电流闭环控制：

上位机（PLC / 运动控制器）发送扭矩指令（通常为模拟量 0~±10V，或数字量脉冲 / 总线信号），对应电机的最大扭矩百分比（如 + 10V 对应 100% 额定扭矩，-10V 对应反向 100% 额定扭矩）；
伺服驱动器实时采集电机绕组的实际电流 Ia，并根据 Kt 换算为实际扭矩；
驱动器对比 “设定扭矩” 与 “实际扭矩”，通过 PID 调节输出电流，消除偏差，确保实际扭矩稳定跟踪设定值。

⚠️ 关键特性：

扭矩模式下，电机转速由负载决定（负载扭矩＜设定扭矩时，电机加速；负载扭矩＝设定扭矩时，转速稳定；负载扭矩＞设定扭矩时，电机减速甚至堵转，此时扭矩保持设定值，电流不超限）；
堵转时，电机不会因过载烧毁（驱动器会限制最大电流，即 “扭矩限制” 功能）。

二、扭矩模式的典型应用场景

扭矩模式的核心优势是 “力控精准”，适用于需要 “按力做事” 而非 “按位置 / 速度做事” 的场景，常见案例：

张力控制（最典型）：

卷材加工（薄膜、纸张、电线电缆、无纺布）：通过扭矩模式控制收卷 / 放卷电机的扭矩，维持卷材张力恒定（避免拉伸或松弛）；
钢丝绳 / 皮带张紧：电机输出固定扭矩，使张紧机构保持稳定张力。

压力 / 夹紧控制：

机械夹爪：精准控制夹紧扭矩，避免夹伤工件（如电子元件、玻璃制品）；
压装工艺（如轴承压入、螺丝拧紧）：设定压装扭矩上限，防止过载损坏工件或设备。

负载模拟与对抗：

测试台（如电机、减速器测试）：用伺服电机模拟负载扭矩（如阻力、惯性负载），验证被测设备的性能；
机器人关节：协作机器人的 “力控关节”，通过扭矩模式实现碰撞检测（当扭矩超过阈值时停止运动，避免伤人）。

同步牵引 / 推力控制：

多电机同步顶推（如桥梁施工、大型设备平移）：各电机输出相同扭矩，确保推力均匀；
传送带张力补偿：电机根据负载变化动态调整扭矩，维持传送带速度稳定。

三、扭矩模式的关键参数设置

使用扭矩模式前，需在伺服驱动器中配置核心参数（不同品牌参数代号不同，需参考手册，以下为通用类别）：

参数类别	作用说明	典型设置建议
控制模式选择	切换为扭矩模式（Torque Mode）	设为 “扭矩控制”（部分驱动器需禁用位置 / 速度环）
扭矩指令来源	选择上位机指令类型	模拟量（0~±10V）/ 数字脉冲 / 总线（Modbus/CANopen/EtherCAT）
扭矩增益（Kt 相关）	匹配电机扭矩常数，确保指令与实际扭矩线性对应	按电机铭牌 Kt 值配置（如 Kt=0.5N・m/A，指令 10V 对应 5A 电流 = 2.5N・m）
扭矩限制（最大电流）	限制电机最大输出扭矩，防止过载	设为额定扭矩的 110%~150%（根据负载峰值需求调整，避免长期超额定扭矩）
扭矩指令滤波	平滑扭矩输出，减少抖动（如张力控制需低抖动）	滤波时间常数 0.1~10ms（抖动大则增大，响应慢则减小）
零漂补偿	消除无指令时的零扭矩偏移（避免电机无指令自转）	无负载时，调整补偿值使电机电流接近 0A
制动电阻配置	当电机减速 / 堵转时，消耗再生电能（避免驱动器过压）	按电机功率匹配制动电阻（如 1kW 电机配 50Ω/100W 电阻）

四、接线与指令信号说明

1. 硬件接线（核心回路）

动力回路：驱动器 U/V/W 接电机绕组，L/N 接电源（需匹配电机额定电压）；
控制回路：

扭矩指令信号：上位机模拟量输出（如 PLC 的 AO 口）接驱动器 “Torque Cmd+”“Torque Cmd-”（0~+10V 对应正扭矩，0~-10V 对应反扭矩）；
使能信号（EN）：上位机输出高电平激活驱动器（必须接，否则电机无扭矩输出）；
故障反馈（ALM）：驱动器故障时输出信号，用于上位机报警处理；
编码器信号：电机编码器接驱动器（扭矩模式仍需编码器反馈，用于转速监测和过流保护）。

2. 指令信号映射（以模拟量 0~±10V 为例）

信号范围：-10V ~ 0V ~ +10V；
扭矩映射：-10V 对应 “- 最大扭矩”（反向最大输出），0V 对应 “零扭矩”，+10V 对应 “+ 最大扭矩”（正向最大输出）；
示例：电机额定扭矩 2N・m，最大扭矩 3N・m（150% 额定），则 + 10V 对应 3N・m，+6.7V 对应 2N・m（额定扭矩）。

五、常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决方法
电机无扭矩输出	1. 未使能（EN 信号未通）；2. 扭矩指令为 0；3. 控制模式未切换	1. 检查 EN 信号接线；2. 确认上位机指令输出（如模拟量是否为非零）；3. 重新配置控制模式
扭矩与指令不匹配	1. 扭矩增益设置错误；2. 零漂补偿未调整；3. 指令信号衰减	1. 重新匹配电机 Kt 值；2. 无负载时校准零漂；3. 检查模拟量线缆（用屏蔽线，避免干扰）
电机抖动 / 扭矩波动大	1. 滤波时间过短；2. 负载突变；3. 编码器信号干扰	1. 增大扭矩指令滤波时间；2. 优化负载机械结构（如减少冲击）；3. 编码器线缆接地屏蔽
驱动器报过压（OV）	1. 制动电阻未接或选型不当；2. 电机频繁减速 / 堵转	1. 安装匹配的制动电阻；2. 延长减速时间或降低扭矩变化率
电机过热	1. 长期超额定扭矩运行；2. 散热不良	1. 降低设定扭矩至额定范围内；2. 检查电机散热风扇（如无则加装）

六、与位置 / 速度模式的核心区别

控制模式	控制目标	转速决定因素	核心应用	优势	劣势
扭矩模式	输出扭矩（电流）	负载扭矩（负载越小，转速越快）	张力、夹紧、力控	力控精准，抗负载波动	无位置 / 速度反馈，需上位机配合限位
位置模式	定位精度（角度 / 位移）	指令脉冲频率（频率越高，转速越快）	机床、机械臂、定位平台	定位精准，无需手动限位	力控能力弱，过载易报警
速度模式	转速稳定（r/min）	指令电压 / 脉冲频率（固定转速）	传送带、风机、泵	转速恒定，抗负载扰动	力控精度低，无法直接控制扭矩

七、实操注意事项

机械匹配：扭矩模式下电机转速由负载决定，需确保机械系统无卡滞（卡滞会导致电机堵转，长期堵转需注意散热）；
安全防护：设置扭矩上限和机械限位（如夹爪加装行程开关），避免扭矩过大损坏设备或工件；
指令平滑：上位机输出扭矩指令时，避免阶跃式突变（如用 PLC 的斜坡指令，使扭矩从 0 逐步上升至设定值，减少冲击）；
总线控制优势：若需多电机同步扭矩控制（如 4 轴张力同步），优先选用 EtherCAT/CANopen 总线，指令响应速度和同步精度优于模拟量；
电机选型：根据负载的 “持续扭矩” 和 “峰值扭矩” 选型（如收卷机需考虑启动峰值扭矩，夹紧机构需考虑持续夹持扭矩），避免扭矩不足或过载。

总结

伺服电机扭矩模式的核心是 “以电流控扭矩”，适用于所有需要精准力控的场景。使用时需重点关注：扭矩参数与电机匹配、制动电阻配置、指令平滑性和机械防护，同时根据负载特性调整滤波和扭矩限制，即可实现稳定的扭矩输出。如果需要某一具体场景（如卷材张力控制、机器人夹爪）的详细参数配置或接线图，可以补充说明设备品牌和需求，进一步细化方案。

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