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伺服电机的三种控制方式及交流伺服被应用的1

2019-02-27 11:37   森昂机电

    伺服电机的三种控制方式及交流伺服被应用的17个领域
    速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求,满足何种运动功能来选择。
    如果您对电机的速度、位置都没有要求,只要输出一个恒转矩,当然是用转矩模式。
    如果对位置和速度有一定的精度要求,而对实时转矩不是很关心,用转矩模式不太方便,用速度或位置模式比较好。
    如果上位控制器有比较好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点。
    如果本身要求不是很高,或者,基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
    就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。
    对运动中的动态性能有比较高的要求时,需要实时对电机进行调整。数控等离子切割机那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC,或低端运动控制器),就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,这一般只是高端专用控制器才能这么干,而且,这时完全不需要使用伺服电机。
    一般说驱动器控制的好不好,每个厂家的都说自己做的最好,但是现在有个比较直观的比较方式,叫响应带宽。当转矩控制或者速度控制时,通过脉冲发生器给他一个方波信号,使电机不断的正转、反转,不断的调高频率,示波器上显示的是个扫频信号,当包络线的顶点到达最高值的70.7%时,表示已经失步,此时的频率的高低,就能显示出谁的产品牛了,一般的电流环能作到1000Hz以上,而速度环只能作到几十赫兹。
    换一种比较专业的说法:
    1、转矩控制:转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小,数控等离子切割机具体表现为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转,外部负载等于2.5Nm时电机不转,大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
    应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
    2、位置控制:位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度,也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。
    应用领域如数控机床、印刷机械等等。
    3、速度模式:通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制,在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位,但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号,此时的电机轴端的编码器只检测电机转速,位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了,这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差,增加了整个系统的定位精度。
    4、谈谈3环,伺服一般为三个环控制,所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环,此环完全在伺服驱动器内部进行,通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流,负反馈给电流的设定进行PID调节,从而达到输出电流尽量接近等于设定电流,电流环就是控制电机转矩的,所以在转矩模式下驱动器的运算最小,动态响应最快。
    第2环是速度环,通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节,它的环内PID输出直接就是电流环的设定,所以速度环控制时就包含了速度环和电流环,换句话说任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。
    第3环是位置环,它是最外环,可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建,要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定,位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。
    伺服电机的使用寿命是多久?
    额定转速不用管它,伺服电机有堵转扭矩这一说法,实际就是在1rpm的情况下测定出来的。只有你的电机质量没问题,且使用的时候过载不严重,在承受范围以内,基本不会有什么影响。
    电机的寿命主要取决于轴承,轴承算是电机里寿命最短的玩意儿了。你安装精度高点,同心度好点,放心用吧。真烧了那也是驱动器的责任,谁让它不接温控保护了。
    交流伺服电机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
    目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。
    01
    接线
    将控制卡断电,连接控制卡与伺服之间的信号线。以下的线是必须要接的:控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后,电机和控制卡(以及PC)上电。此时电机应该不动,而且可以用外力轻松转动,如果不是这样,检查使能信号的设置与接线。用外力转动电机,检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化,否则检查编码器信号的接线和设置。
    02
    试方向
    对于一个闭环控制系统,如果反馈信号的方向不正确,后果肯定是灾难性的。通过控制卡打开伺服的使能信号。这是伺服应该以一个较低的速度转动,这就是传说中的“零漂”。一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数,看电机的转速和方向是否可以通过这个指令(参数)控制。如果不能控制,检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确认给出正数,电机正转,编码器计数增加;给出负数,电机反转转,编码器计数减小。如果电机带有负载,行程有限,不要采用这种方式。测试不要给过大的电压,建议在1V以下。如果方向不一致,可以修改控制卡或电机上的参数,使其一致。
    03
    抑制零漂
    在闭环控制过程中,零漂的存在会对控制效果有一定的影响,最好将其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数,仔细调整,使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随机性,所以,不必要求电机转速绝对为零。
    伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
    直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
    交流伺服被应用的17个领域
    交流伺服驱动器借鉴并应用了变频的技术,在直流电机的伺服控制的基础上通过变频PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的,也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节。与变频器一样,也是将工频交流电先整流成直流电,然后通过可控制门极的各类晶体管(IGBT,IGCT等)通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的交流电,波形类似于正余弦的脉动电。
    伺服驱动器发展了变频技术,在驱动器内部的电流环,速度环和位置环(变频器没有该环)都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算,主要的一点可以进行精确的位置控制。
    现在的交流伺服的控制部分采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,其优点是可以实现比较复杂的控制算法,来完成伺服系统的闭环控制,包括力矩、速度和位置等闭环控制。
    交流伺服的应用领域:
    凡是对位置,速度和力矩的控制精度要求比较高的场合,都可以采用交流伺服驱动。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等。因为伺服多用在定位、速度控制场合,所以伺服又称为运动控制。
    1、冶金、钢铁—连铸拉坯生产线、铜杆上引连铸机、喷印标记设备、冷连轧机,定长剪切、自动送料、转炉倾动。
    2、电力、电缆—水轮机调速器、风力发电机变桨系统、拉丝机、对绞机、高速编织机、卷线机、喷印标记设备等。
    3、石油、化工—挤压机、胶片传动带、大型空气压缩机、抽油机等。
    4、化纤和纺织--纺纱机、精纺机、织机、梳棉机、横边机等。
    5、汽车制造业—发动机零部件生产线、发动机组装生产线,整车装配线、车身焊接线、检测设备等。
    6、机床制造业—车床、龙门刨、铣床、磨床、机械加工中心、制齿机等。
    7、铸件制造业—机械手、转炉倾动、模具加工中心等。
    8、橡塑制造业--塑料压延机、塑料薄膜袋封切机、注塑机、挤出机、成型机、涂塑复合机、拉丝机等。
    9、电子制造业—印刷电路板(PCB)设备、半导体器件设备(光刻机、晶圆加工机等)、液晶显示器(LCD)设备、整机联装及表面贴装(SMT)设备、激光设备(切割机、雕刻机等)、通用数控设备、机械手等。
    10、造纸业—纸张传送设备、特种纸造纸机械等。
    11、食品制造业—原料加工设备、灌装机械、封口机、其他食品包装及印刷设备等
    12、制药业—原料加工机械、制剂机械、饮片机械、印刷及包装机械等
    13、交通—地铁屏蔽门、电力机车、船舶导航等
    14、物流、装卸、搬运—自动仓库、搬运车、立体车库、传动带、机器人、起重设备和搬运设备等
    15、建筑—电梯、传送带、自动旋转门、自动开窗等
    16、医疗—CT、X光机、核磁共振MRI等
    17、试验设备—汽车试验设备、扭矩试验设备等
    总之,学好伺服驱动的应用,可以设计出很多产品,而且都是很高端产品,对职业的发展意义重大。未来一段时间,我们将着重学习伺服驱动的应用。
    伺服系统的控制模式有哪几种?
    步进电机作为一种开环控制的系统,和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。
    1、控制精度不同
    两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司(SANYODENKI)生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
    交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以山洋全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2000线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°,是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
    2、低频特性不同
    步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。
    交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。
    3、矩频特性不同
    步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600RPM。数控等离子切割机交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
    4、过载能力不同
    步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。
    5、运行性能不同
    步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。
    6、速度响应性能不同
    步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
    综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。

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