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文檔簡介
1、伺服驅(qū)動器的工作原理創(chuàng)作:歐陽美時間:2021.01.01隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn),交流伺服電機也越 來越多地應(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,運動控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電 動機。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(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控制的。位置控制是通過發(fā)脈 沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求,滿足何 種運動功能來選擇。如果您對電機的速度、位置都沒有要求,只 要輸出一個恒轉(zhuǎn)矩,當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。如果對位置和速度有一 定的精度要求,而對實時轉(zhuǎn)矩不是
2、很關(guān)心,用轉(zhuǎn)矩模式不太方便, 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,用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高,或 者,基本沒有實時性的要求,用位置控制方式對上位控制器沒有 很高的要求。就伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度來看,轉(zhuǎn)矩模式運算量最 小,驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最快;位置模式運算量最大,驅(qū)動 器對控制信號的響應(yīng)最慢。對運動中的動態(tài)性能有比較髙的要求 時,需要實時對電機進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運算速度 很慢(比如PLC,或低端運動控制器),就用位置方式控制。如 果控制器運算速度比較快,可以用速度方式,把位置環(huán)從驅(qū)動器 歐陽美創(chuàng)編 2021.01.01歐陽美創(chuàng)編20
3、21.01.01移到控制器上,減少驅(qū)動器的工作量,提高效率(比如大部分中 高端運動控制器);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)動器上移開,這一般只是高端專用控制 器才能這么干,而且,這時完全不需要使用伺服電機。換一種說 法是:1、轉(zhuǎn)矩控制:轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或 直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小,具體表 現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話,當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸 輸出為2.5Nm:如果電機軸負(fù)載低于2. 5Nm時電機正轉(zhuǎn),外部負(fù) 載等于2. 5Nm時電機不轉(zhuǎn),大于2. 5Nm時電機庾轉(zhuǎn)(通常在有重 力負(fù)載情況下產(chǎn)生)??梢酝ㄟ^實時的改
4、變模擬量的設(shè)定來改變 設(shè)定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實 現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(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 的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會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外部輸入的脈沖 的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小,通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角 度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。 由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(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)控機床、印刷機械等等。3、速度 模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控 制
5、,在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進(jìn)行定 位,但必須把電機的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位回饋 以做運算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號,此時 的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速,位置信號就由直接的最終 負(fù)載端的檢測裝置來提供了,這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動 過程中的誤差,增加了整個系統(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必須的內(nèi)部環(huán)節(jié), 伺服驅(qū)動器中同樣存在變頻(要進(jìn)行無級調(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, 伺服電機的構(gòu)造與普通電機是有區(qū)別的,要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確 定位?,F(xiàn)在市面上
6、流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服, 但這種電機受工藝限制,很難做到很大的功率,十幾KW以上的 同步伺服價格及其昂貴,這樣在現(xiàn)場應(yīng)用允許的情況下多采用交 流異步伺服,這時很多驅(qū)動器就是高端變頻器,帶編碼器回饋死 循環(huán)控制。所謂伺服就是要滿足準(zhǔn)確、精確、快速定位,只要滿 足就不存在伺服變頻之爭。一、兩者的共同點: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),在直流電機的伺服控制的基 礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的,也 就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié):變頻就是將工頻的 50. 601IZ的交流電先整流成直流電,然后通過可控制門極的各 類晶體管(IGBT, IG
7、CT等)通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l 率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動電,由于頻率可調(diào),所以交流 電機的速度就可調(diào)了(n二60f/p , n轉(zhuǎn)速,f頻率,p極對數(shù)) 二、談?wù)勛冾l器:簡單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機的速度,這時 可以開環(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?,F(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學(xué)模型的建 立,將交流電機的定子磁場UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)矩的兩個電流的分量,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)的電流檢測裝置,采樣回饋后構(gòu)成死循環(huán)負(fù)反饋的電流環(huán)的 PID調(diào)節(jié);ABB的
8、變頻又提出和這樣方式不同的直接轉(zhuǎn)矩控制技 術(shù),具體請查閱有關(guān)數(shù)據(jù)。這樣可以既控制電機的速度也可控制 電機的力矩,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,加的時候控制精度和響應(yīng)特性要好很多。三、談?wù)?伺服:驅(qū)動器方面:伺服驅(qū)動器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下,在 驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán),速度環(huán)和位置環(huán)(變頻器沒有該環(huán))都進(jìn) 行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運算,在功能上也比傳 統(tǒng)的變頻強大很多,主要的一點可以進(jìn)行精確的位置控制。通過 上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置(當(dāng)然也有些伺服 內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度 等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動器里),驅(qū)動器內(nèi)部的
9、算法和更快更精確的計 算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。電機方面: 伺服電機的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流 電機(一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機),也就 是說當(dāng)驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時,伺服電 機就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應(yīng)的動作變化,響應(yīng)特性和抗超載能 力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電機,電機方面的嚴(yán)重差異也是兩 者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電 源信號,而是電機本身就反應(yīng)不了,所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定 時為了保護(hù)電機做了相應(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)動伺
10、 服電機! ! !四、談?wù)劷涣麟姍C:交流電機一般分為同步和異步 電機1、交流同步電機:就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成,所以轉(zhuǎn)動 后,隨著電機的定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化,轉(zhuǎn)子也做響應(yīng)頻率的速度 變化,而且轉(zhuǎn)子速度二定子速度,所以稱"同步”。2、交流異步 電機:轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈和材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動后,定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場, 磁場切割定子的感應(yīng)線圈,轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生感應(yīng)磁場,感應(yīng)磁場追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化,但轉(zhuǎn)子的磁場 變化永遠(yuǎn)小于定子的變化,一旦等于就沒有變化的磁場切割轉(zhuǎn)子 的感應(yīng)線圈,轉(zhuǎn)子線圈中也就沒有了感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子磁場消失, 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 交流異步電機里有個關(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、對應(yīng)交流同步和異步電機變頻器就有相映的同 步變頻器和異步變頻器,伺服電機也有交流同步伺服和交流
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