3. 伺服系统基础
要理解伺服SS1安全停机，必须先看清伺服系统内部的信号链：伺服驱动器负责功率变换与闭环调节，伺服电机把电能转换为机械转矩，编码器提供转子位置与速度反馈，控制环（电流环、速度环、位置环）逐级闭合，而安全功能（STO、SS1、SLS、SBC等）则从外部或内部切入这条信号链，使系统进入安全状态。SS1的本质，就是在安全时间内完成“受控减速 + 安全转矩取消”，因此它同时依赖控制环的正常工作与安全功能的可靠介入。
一、伺服系统的四层结构
从能量与信息的角度，伺服系统可以划分为四个层次：
- 功率层：整流单元、直流母线、逆变桥（IGBT），把三相交流电转换为频率与电压可调的驱动电流。
- 控制层：电流环、速度环、位置环，以及速度观测器、滤波器、前馈补偿等算法。
- 反馈层：编码器（增量式、绝对值式、旋变）实时测量转子角度与转速，形成闭环。
- 安全层：安全转矩取消（STO）、安全停止1（SS1）、安全限速（SLS）、安全制动控制（SBC）等安全子功能，通过安全输入、安全继电器或FSoE总线接入。
这四层并非彼此独立：安全层通过“禁止PWM输出”或“限制速度给定”等方式作用于控制层与功率层，而控制层又依赖反馈层的数据才能完成受控减速。SS1正是安全层与控制层协同工作的典型场景。
二、控制环与安全功能的协同关系
伺服驱动器内部通常采用三环串级结构：位置环输出速度给定，速度环输出转矩（电流）给定，电流环输出PWM占空比。SS1并不直接切断电流环，而是先让速度环按安全斜坡减速，待速度低于设定阈值后，再触发STO封锁PWM。这种“先减速、后断力”的顺序，正是SS1区别于STO的核心。
| 功能 | 作用对象 | 是否依赖控制环 | 典型触发条件 | 电机最终状态 |
|---|---|---|---|---|
| STO | 功率层PWM输出 | 否 | 安全输入断开 | 自由停车（无转矩） |
| SS1 | 速度环 + 功率层 | 是 | 安全请求 + 减速斜坡 | 受控减速后断力 |
| SLS | 速度环限幅 | 是 | 速度超过安全限值 | 限速运行 |
| SBC | 抱闸控制 | 部分依赖 | SS1完成或STO触发 | 机械制动保持 |
三、典型场景：SS1在包装机上的应用
某包装机使用伺服驱动器驱动送膜轴，安全PLC通过FSoE下发SS1请求。驱动器收到请求后，速度环按预设斜坡（如2000 rpm/s）减速，编码器实时反馈转速。当转速低于100 rpm时，安全层触发STO，PWM输出被封锁，电机自由停车，随后SBC控制抱闸闭合。整个过程在500 ms内完成，满足安全时间要求。
SS1 参数配置示例（伪代码）：
SS1_Deceleration_Ramp = 2000 rpm/s
SS1_Zero_Speed_Threshold = 100 rpm
SS1_Max_Deceleration_Time = 500 ms
STO_Activation_Delay = 20 ms
SBC_Engage_Delay = 100 ms
关键点：SS1的减速过程依赖速度环和编码器反馈，因此编码器故障、速度环参数错误或反馈线缆断线都会导致SS1无法按时完成，进而触发安全故障。安全功能必须对反馈有效性进行监控。
四、常见误区与复盘
- 误区一：SS1等于STO。STO立即断力，电机自由停车；SS1先受控减速再断力，适用于需要避免机械冲击或产品损坏的场合。
- 误区二：安全功能独立于控制环。SS1必须借助速度环完成减速，因此控制环的参数、编码器反馈、驱动器使能状态都会影响SS1的执行。
- 误区三：编码器只用于定位。在SS1中，编码器是速度监控和安全减速判据的核心反馈源，其信号完整性直接决定安全等级。
- 误区四：安全层可以替代标准控制。安全层只负责“安全降级”，不参与正常工艺控制；正常减速与安全减速应分别设计，避免相互干扰。
工程建议：在调试SS1时，应先用示波器或驱动器Trace功能记录“速度给定、速度反馈、STO触发、抱闸状态”四条曲线，确认减速斜坡平滑、阈值触发准确、断力时刻与抱闸动作匹配。任何一条曲线异常，都应重新评估安全时间与安全距离。
理解伺服驱动器、电机、编码器、控制环与安全功能之间的层次与依赖关系，是正确配置SS1的基础。只有把安全功能放回真实的信号链中，才能避免“安全功能正常但停机失败”的隐性风险。