伺服驅(qū)動器的工作原理

1、伺服驅(qū)動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(yùn)動控制系 統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流 伺服電機(jī) 作為執(zhí)行電動機(jī)。 在控制方式上 用脈沖串和方向信號實(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(yùn)動 功能來選擇。如果您對電機(jī)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(shí)時轉(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, 用速度控制效果會好一點(diǎn)。 如果本身要求不 是很高, 或者, 基本沒有實(shí)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(yùn)算量 最小, 驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最快; 位置模式運(yùn)算量最大, 驅(qū)動器 對控制信號的響應(yīng)最慢。對運(yùn)動中的動態(tài)性能有比較高的要求時,需要實(shí)時對電機(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)動器移到控制器上, 減少驅(qū)動器的工作量, 提高 效

3、率(比如大部分中高端運(yùn)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(jī)。 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(jī)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(jī)軸輸出為 2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5Nm 時電機(jī)正轉(zhuǎn), 外部負(fù)載等于 2.5Nm 時電 機(jī)不轉(zhuǎn), 大于 2.5Nm 時電機(jī)反轉(zhuǎn) (通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生 。 可以通過實(shí)時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小

4、, 也可通過 通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)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(jī)床 、印刷機(jī)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,在有上位控制裝

5、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(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位回饋以 做運(yùn)算用。 位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號, 此時的電機(jī) 軸端的編碼器只檢測電機(jī)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(diǎn)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(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)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(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(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)上通過變頻的 PWM 方式模仿直流電機(jī)的控制方式來 實(shí)現(xiàn)的, 也就是說交流伺服電機(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, 然后通過可控制門極的 各

7、類晶體管 (IGBT , IGCT 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(jī)的速度就可調(diào)了(n=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(jī)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。 現(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(jī)的定子磁場 UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)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

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, 加的時候控制精度和響應(yīng)特性要好很 多。三、談?wù)勊欧?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(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

9、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(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 的交流電機(jī)(一般交流電機(jī)或恒力矩、恒功率等各類變頻電機(jī),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(jī) 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(jī), 電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩者性能不同 的根本。 就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的 電源 信號, 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)動后,隨著 電機(jī)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 =定子速度,所以稱 “ 同步 ” 。2、交流異步電機(jī):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(jī)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(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，伺服則交流同步伺服常見。 異步變頻常見，伺服則交流同步伺服常見。 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