伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理

1、伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn),交流 也越來(lái)越多地 應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì), 運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流 伺服電機(jī) 作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。 在控制方式上 用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)。一般伺服都有三種控制方式:速度控制方式, 轉(zhuǎn)矩控制方式, 位置控 制方式 。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來(lái)控制的。 位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖 來(lái)控制的。 具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶(hù)的要求, 滿(mǎn)足何種運(yùn)動(dòng) 功能來(lái)選擇。如果您對(duì)電機(jī)的速度、 位置都沒(méi)有要求, 只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩, 當(dāng)然 是用轉(zhuǎn)矩模式。如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求, 而對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心, 用 轉(zhuǎn)矩

2、模式不太方便, 用速度或位置模式比較好。 如果上位控制器有比 較好的死循環(huán)控制功能, 用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。 如果本身要求不 是很高, 或者, 基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求, 用位置控制方式對(duì)上位控制 器沒(méi)有很高的要求。 就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看, 轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量 最小, 驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快; 位置模式運(yùn)算量最大, 驅(qū)動(dòng)器 對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí),需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。 那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢(比如 ,或低端運(yùn)動(dòng)控制 器,就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快,可以用速度方式, 把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上, 減少驅(qū)動(dòng)器的工作量, 提高 效

3、率(比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器;如果有更好的上位控制器, 還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制, 把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開(kāi), 這一般只是高 端專(zhuān)用控制器才能這么干,而且,這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。 換一種說(shuō)法是:1、轉(zhuǎn)矩控制:轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址 的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小,具體表現(xiàn)為例如 10V 對(duì)應(yīng) 5Nm 的話(huà),當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)電機(jī)軸輸出為 2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn), 外部負(fù)載等于 2.5Nm 時(shí)電 機(jī)不轉(zhuǎn), 大于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn) (通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生 。 可以通過(guò)實(shí)時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小

4、, 也可通過(guò) 通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有 嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中, 例如饒線(xiàn)裝置或拉光纖設(shè)備, 轉(zhuǎn)矩 的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨 著纏繞半徑的變化而改變。2、位置控制:位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確 定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小, 通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度, 也有些伺服 可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。 由于位置模式可以對(duì) 速度和位置都有很?chē)?yán)格的控制, 所以一般應(yīng)用于定位裝置。 應(yīng)用領(lǐng)域 如數(shù)控 機(jī)床 、印刷機(jī)械等等。3、速度模式:通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度 的控制,在有上位控制裝

5、置的外環(huán) PID 控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位, 但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位回饋以 做運(yùn)算用。 位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào), 此時(shí)的電機(jī) 軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速, 位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢 測(cè)裝置來(lái)提供了,這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差, 增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。伺服的基本概念是準(zhǔn)確、 精確、 快速定位。 變頻是伺服控制的一個(gè)必 須的內(nèi)部環(huán)節(jié),伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻(要進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。但 伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制,這是很大的區(qū)別。 除此外, 伺服電機(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)是有區(qū)別的, 要滿(mǎn)足快速響應(yīng)和 準(zhǔn)確定位?，F(xiàn)在市面上

6、流通的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服, 但這種電機(jī)受工藝限制,很難做到很大的功率,十幾 KW 以上的同 步伺服價(jià)格及其昂貴, 這樣在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用允許的情況下多采用交流異步 伺服,這時(shí)很多驅(qū)動(dòng)器就是高端 變頻器 ,帶編碼器回饋死循環(huán)控制。 所謂伺服就是要滿(mǎn)足準(zhǔn)確、 精確、 快速定位, 只要滿(mǎn)足就不存在伺服 變頻之爭(zhēng)。一、兩者的共同點(diǎn):交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù), 在直流電機(jī)的伺 服控制的基礎(chǔ)上通過(guò)變頻的 PWM 方式模仿直流電機(jī)的控制方式來(lái) 實(shí)現(xiàn)的, 也就是說(shuō)交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié):變頻就是將 工頻的 50、 60HZ 的交流電先整流成直流電, 然后通過(guò)可控制門(mén)極的 各

7、類(lèi)晶體管 (IGBT , IGCT 等 通過(guò)載波頻率和 PWM 調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l 率可調(diào)的波形類(lèi)似于正余弦的脈動(dòng)電, 由于頻率可調(diào), 所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了(n=60f/p , n 轉(zhuǎn)速, f 頻率, p 極對(duì)數(shù)二、談?wù)勛冾l器:簡(jiǎn)單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機(jī)的速度, 這時(shí)可以開(kāi)環(huán)也可以死循環(huán) 要視控制方式和變頻器而定,這就是傳統(tǒng)意義上的 V/F控制方式。 現(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立,將交流電機(jī)的定子磁場(chǎng) UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)電流的分量,現(xiàn)在 大多數(shù)能進(jìn)行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制 力矩, UVW 每相的輸出要加霍爾效應(yīng)的電流檢測(cè)裝置,采樣回饋

8、后 構(gòu)成死循環(huán)負(fù)反饋的電流環(huán)的 PID 調(diào)節(jié); ABB 的變頻又提出和這樣 方式不同的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù), 具體請(qǐng)查閱有關(guān)數(shù)據(jù)。 這樣可以既控 制電機(jī)的速度也可控制電機(jī)的力矩,而且速度的控制精度優(yōu)于 v/f控 制, 編碼器回饋也可加可不加, 加的時(shí)候控制精度和響應(yīng)特性要好很 多。三、談?wù)勊欧?驅(qū)動(dòng)器方面:伺服驅(qū)動(dòng)器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下, 在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部 的電流環(huán), 速度環(huán)和位置環(huán) (變頻器沒(méi)有該環(huán) 都進(jìn)行了比一般變頻 更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算,在功能上也比傳統(tǒng)的變頻強(qiáng)大很多, 主要的一點(diǎn)可以進(jìn)行精確的位置控制。 通過(guò)上位控制器發(fā)送的脈沖序 列來(lái)控制速度和位置 (當(dāng)然也有些伺服內(nèi)部集成了控制單

9、元或通過(guò)總 線(xiàn)通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動(dòng)器里 , 驅(qū)動(dòng)器內(nèi) 部的算法和更快更精確的計(jì)算以及性能更優(yōu)良的 電子 器件使之更優(yōu) 越于變頻器。電機(jī)方面:伺服電機(jī)的材料、 結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng) 的交流電機(jī)(一般交流電機(jī)或恒力矩、恒功率等各類(lèi)變頻電機(jī),也 就是說(shuō)當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出電流、 電壓、 頻率變化很快的 電源 時(shí), 伺服電機(jī) 就能根據(jù) 電源 變化產(chǎn)生響應(yīng)的動(dòng)作變化, 響應(yīng)特性和抗超載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī), 電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩者性能不同 的根本。 就是說(shuō)不是變頻器輸出不了變化那么快的 電源 信號(hào), 而是電 機(jī)本身就反應(yīng)不了, 所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定時(shí)為了

10、保護(hù)電機(jī)做了 相應(yīng)的超載設(shè)定。 當(dāng)然即使不設(shè)定變頻器的輸出能力還是有限的, 有 些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)!四、談?wù)劷涣麟姍C(jī):交流電機(jī)一般分為同步和異步電機(jī)1、交流同步電機(jī):就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成,所以轉(zhuǎn)動(dòng)后,隨著 電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化, 轉(zhuǎn)子也做響應(yīng)頻率的速度變化, 而且轉(zhuǎn) 子速度 =定子速度,所以稱(chēng) “ 同步 ” 。2、交流異步電機(jī):轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線(xiàn)圈和材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)后,定子產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 磁場(chǎng)切割定子的感應(yīng)線(xiàn)圈, 轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電流, 進(jìn)而 轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng), 感應(yīng)磁場(chǎng)追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化, 但轉(zhuǎn)子的磁 場(chǎng)變化永遠(yuǎn)小于定子的變化, 一旦等于就沒(méi)有變化的磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的 感應(yīng)線(xiàn)圈, 轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈中也就沒(méi)有了感應(yīng)電流, 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)消失, 轉(zhuǎn)子失 速又與定子產(chǎn)生速度差又重新獲得感應(yīng)電流。 。 。 所以在交流異步電 機(jī)里有個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)是轉(zhuǎn)差率就是轉(zhuǎn)子與定子的速度差的比率。 3、對(duì)應(yīng)交流同步和異步電機(jī)變頻器就有相映的同步變頻器和異步變頻器， 伺服電機(jī)也有交流同步伺服和交流異步伺服， 當(dāng)然變頻器里交 頻器， 伺服電機(jī)也有交流同步伺服和交流異步伺服， 流異步變頻常見(jiàn)，伺服則交流同步伺服常見(jiàn)。 異步變頻常見(jiàn)，伺服則交流同步伺服常見(jiàn)。 五、應(yīng)用 由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同： 由