伺服系統(tǒng)總結(jié)(電機和驅(qū)動)綜述

1、伺服系統(tǒng)介紹目錄伺服系統(tǒng)概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理以及分類伺服電機伺服驅(qū)動編碼器以及制動方式介紹伺服與步進區(qū)別伺服選型一、 伺服系統(tǒng)概述 伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反響控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。本文主要介紹機電伺服系統(tǒng)。4詳細解釋：伺服系統(tǒng)servomechanism是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標或給定值的任意變化的自動控制系

2、統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，根本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了照應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以到達。二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理以及分類1、結(jié)構(gòu)原理最根本的伺服系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件電機、液壓缸等、反響元件和伺服驅(qū)動器，但是要讓這個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來還需要一個上位機構(gòu)，PLC,專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便于給伺服驅(qū)動

3、器發(fā)送指令。 伺服系統(tǒng)主要由三局部組成:控制器,功率驅(qū)動裝置,反響裝置和電動機.控制器按照的給定值和通過反響裝置檢測的實際運行值的差,調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路,一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上,調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小,另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電;電動機那么按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn).如圖一所示6位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋 圖一伺服控制經(jīng)典電路圖72、系統(tǒng)分類8伺服系統(tǒng)的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種.1按元件特

4、性和信號作用特點分類.分為模擬量控制和數(shù)字量控制.(2)按驅(qū)動元件的類型分類伺服控制系統(tǒng)按所用控制元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)(液壓控制系統(tǒng)) 和氣動伺服系統(tǒng)。(3)按控制原理分類.伺服系統(tǒng)可分為(開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、)閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。常見的四種伺服控制系統(tǒng)如下:9(1) 液壓伺服控制系統(tǒng)液壓伺服控制系統(tǒng)是以電機提供動力根底，使用液壓泵將機械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作，完成各種設(shè)備不同的動作需要。液壓伺服控制系統(tǒng)按照偏差信號獲得和傳遞方式的不同分為機-液、電-液、氣-液等,其中應(yīng)用較多

5、的是機-液和電-液控制系統(tǒng)。按照被控物理量的不同,液壓伺服控制系統(tǒng)可以分為位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、壓力控制和其他物理量控制等。液壓控制系統(tǒng)還可以分為節(jié)流控制(閥控)式和容積控制(泵控)式。在機械設(shè)備中,主要有機-液伺服系統(tǒng)和電-液伺服系統(tǒng)。10(2) 交流伺服控制系統(tǒng)交流伺服控制系統(tǒng)包括基于異步電動機的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，具有一系列優(yōu)點。它的性能指標可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性等方面來衡量。(3) 直流伺服控制系統(tǒng)交流伺服控制系統(tǒng)的工作原理是建立在電磁力定律根底上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是

6、互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，它憑借控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。11(4) 電液伺服控制系統(tǒng)它是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成的反響控制系統(tǒng)。最常見的有電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度控制系統(tǒng)和電液力(或力矩)控制系統(tǒng)。以上是我們常用到的四種伺服系統(tǒng)，他們的工作原理和性能以及可以應(yīng)用的范圍都有所區(qū)別，各有自己的特點和優(yōu)缺點。因此在選擇或者購置的時候，就需要根據(jù)系統(tǒng)的需要以及需要控制的

7、參數(shù)和實現(xiàn)的性能，通過計算后在選擇適宜的產(chǎn)品。12三、伺服電機1、伺服電機簡介：伺服電機(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反響，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。13伺服電機主要分為直流伺服電機和交流伺服

8、電機，其中直流伺服又分為有刷直流伺服和無刷直流伺服，交流伺服又分為異步交流伺服和永磁同步交流伺服。實際上無刷直流伺服也算是交流伺服一派的，只不過區(qū)別在于用直流供電，并控制器電子換向?qū)崿F(xiàn)交流電機驅(qū)動由于主要用于控制，因此市面上大多的伺服電機通常是指永磁同步電機，因為其控制響應(yīng)性能最優(yōu)；久而久之，大家日常說道的伺服電機通常都是指永磁同步電機。142、電機特點： 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機本錢低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便換碳刷，產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求高。因此它可以用于對本錢敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，

9、速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。15163、永磁同步伺服電機永磁同步伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反響信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反響值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺

10、服電機的精度決定于編碼器的精度線數(shù)。特點如下：控制速度非?？?，從啟動到額定轉(zhuǎn)速只需幾毫秒；而相同情況下異步電機卻需要幾秒鐘。啟動扭矩大，可以帶動大慣量的物體進行運動。 功率密度大，相同功率范圍下相比異步電機可以把體積做得更小、重量做得更輕。運行效率高。 可支持低速長時間運行。斷電無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可快速控制停止動作。17同步型交流伺服電機同步型結(jié)構(gòu)較異步電機復(fù)雜，但比直流電機簡單。其定子與異步電機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子又按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反響式多種。其中磁滯式和反響式同步電機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。但隨著

11、異步電機控制技術(shù)的不斷開展，當(dāng)前以模擬信號控制的異步電機在控制響應(yīng)方面性能也跟上來了，且其亦具備永磁同步電機不具備的優(yōu)點，因此異步伺服電機作為伺服電機行業(yè)的一股新生力量也在漸露頭角。184、異步伺服電機異步伺服電機實際上和異步電機是幾乎完全相似的，不過其引入了編碼器實現(xiàn)了對電機的閉環(huán)控制，因此也可以視為伺服電機的一種。尤其是當(dāng)前變頻調(diào)速技術(shù)的飛速開展，異步伺服電機的實際控制性能也很不錯，配合其支持大功率、高轉(zhuǎn)速的特點，在一些永磁同步電機無法勝任的地方大放異彩。特點如下：功率可以做得很大，設(shè)計成熟，運行可靠性高。支持高速過10000rpm長時間運行，同比下永磁電機最高只能做到60008000rp

12、m轉(zhuǎn)速。 性價比高，在對控制精度要求不高的情況下可以替代永磁電機使用。異步型交流伺服電機分為三相和單相，最受歡送的是鼠籠式三相感應(yīng)電機。有結(jié)構(gòu)簡單、價優(yōu)、輕巧等特點，與同容量的直流伺服相比，質(zhì)量輕1/2，價格為直流的1/3。但物無完物，它也有缺點，即無法經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，容易損壞電網(wǎng)功率因數(shù)。19四、伺服驅(qū)動器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一局部。 目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器DSP作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部

13、集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還參加軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元AC-DC主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。 伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。20伺服驅(qū)動內(nèi)部電路圖21五、編碼器和制動方式介紹1、編碼器編碼器

14、encoder是將信號如比特流或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。222、制動方式用戶往往對電磁制動，再生制動，動態(tài)制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時

15、通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反響到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。三者的區(qū)別：(1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態(tài)制動器和電磁制開工作時不需電源。(2)再生制動的工作是系統(tǒng)自動進行，而動態(tài)制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。(3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動，否那么可能造成放大器過載，動態(tài)制動器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動，否那么可能造成動態(tài)制動電阻過熱。23六、伺服電機、步進電機的區(qū)別步進電機是一種離散運動的裝置，

16、它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。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)字控制的開展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似脈沖串和方向信號，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。一、控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為、，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 、。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的24一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為；德國百格拉公司BERGER LA

17、HR生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為、，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360，是步距角為的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655二、低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象25對

18、于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比方在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性缺乏，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能FFT，可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整 。三、矩頻特性不同步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速一般為2000RPM或3000RPM以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出26四、過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象五、速度響應(yīng)性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒