伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)資料

溝通永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、伺服系統(tǒng)簡介伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)展人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的進(jìn)展經(jīng)受了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包2060年月，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，70年月以后，溝通伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，漸漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。溝通永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)〔以下簡稱伺服系統(tǒng)，是基于國外高端伺服技術(shù)開發(fā)出適紡織機(jī)械、繡花機(jī)、雕刻機(jī)械等領(lǐng)域，在這些要求高精度高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場合，應(yīng)用溝通永磁同步電機(jī)〔PMSM〕的伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。其中，PMSM具備格外優(yōu)良的低速性能、可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速掌握，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高。溝通伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來衡量。1:5000～1:10000；定位精度一般都要到達(dá)±1尤其是低速下的穩(wěn)速精度，比方給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以到達(dá)±0.01rpm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的90°50要求高的一些場合，目前國內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200～500Hz。運(yùn)行穩(wěn)定性方面，主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位掌握器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特別運(yùn)行條件下，維持穩(wěn)定運(yùn)行并保證肯定的性能指標(biāo)的力量。二、伺服系統(tǒng)的組成上位機(jī)

伺服系統(tǒng)的組成上位機(jī)通過掌握端口發(fā)送指令〔模擬指令或脈沖指令〕給驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器跟隨外部指令來執(zhí)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器反響信號(hào)給上位機(jī)。驅(qū)動(dòng)器1伺服驅(qū)動(dòng)器是用來掌握伺服電機(jī)的,是伺服電機(jī)的掌握局部。伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的兩個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)模塊和掌握模塊兩局部。驅(qū)動(dòng)模塊是強(qiáng)電局部，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也為掌握模塊供給直流電源；掌握模塊是弱電局部，是電機(jī)的掌握核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)核心〔掌握算法〕的遠(yuǎn)行載體。其功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)掌握，包括力矩、速度和位置等。一般伺服都有三種掌握方式：速度掌握方式，轉(zhuǎn)矩掌握方式，位置掌握方式。對電機(jī)的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，固然是用轉(zhuǎn)矩模式。假設(shè)對位置和速度有肯定的精度要求，而對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太便利，用速度或位置模式比較好。假設(shè)上位掌握器有比較好的閉環(huán)掌握功能，用速度掌握效果會(huì)好一點(diǎn)。假設(shè)本身要求不是很高，或者，根本沒有實(shí)時(shí)性的要求，用位置掌握方式對上位掌握器沒有很高的要求。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對掌握信號(hào)的響應(yīng)最快；需要實(shí)時(shí)對電機(jī)進(jìn)展調(diào)整。那么假設(shè)掌握器本身的運(yùn)算速度很慢〔比方PLC，或低端運(yùn)動(dòng)掌握器，就用位置方式掌握。假設(shè)掌握器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到掌握器上，削減驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率〔比方大局部中高端運(yùn)動(dòng)掌握器；假設(shè)有更好的上位掌握器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式掌握，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開，這一般只是高端專用掌握器。以下分別介紹下這三種掌握方式：1、位置掌握：床、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等等。2、速度模式：PID以削減中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。3、轉(zhuǎn)矩掌握：轉(zhuǎn)矩掌握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10V5Nm5V時(shí)電機(jī)軸輸出2.5Nm: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)載狀況下產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^即時(shí)的轉(zhuǎn)變模擬量的設(shè)定來2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轉(zhuǎn)變。永磁同步電機(jī)PMSM作為執(zhí)行元件，把收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其工作原理為:伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器掌握的U/V/W三相電形成的電磁場，轉(zhuǎn)目標(biāo)值進(jìn)展相比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度打算于編碼器的精度〔線數(shù)。所謂溝通同步電機(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”。其同步轉(zhuǎn)速n=60f/2p2p為極對數(shù)。額定轉(zhuǎn)速以下輸出恒轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速以上輸出恒功率。三、伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理3INPUT3相AC220TO230V50-60Hz〔當(dāng)三相電源輸入時(shí)〕DC電抗器外接再生電阻PE噪聲PE

伺服驅(qū)動(dòng)器

DL1 DL2 N

RB2RB1 RB4

散熱器內(nèi)置

伺服電機(jī)UCHARGE V SMWL1DC/DCL2PE~±12V

PE門驅(qū)動(dòng) 抱閘過流過熱啟動(dòng)預(yù)備RY1 系統(tǒng)錯(cuò)誤緊急停頓

保護(hù) 電流檢繼電器驅(qū)動(dòng)CN2

編碼器啟動(dòng)預(yù)備MC M1-M2

D/A PW產(chǎn)生

傳感器處理

外部編碼器模擬監(jiān)視輸出PC安裝軟件PCSetup

串行端口

ASIC轉(zhuǎn)距掌握

指令處理位置掌握

差分驅(qū)動(dòng)A/D

霍爾傳感器CN1通用I/O脈沖指令輸入速度指令輸入轉(zhuǎn)矩指令輸入時(shí)序輸入/輸出狀態(tài)顯示監(jiān)視測試操作與調(diào)整

I/O

速度掌握

CPU

接收 報(bào)警輸出，編碼器輸出外部電流限制，電源輸入監(jiān)視輸出接口 DC12~24V參數(shù)編輯報(bào)警顯示 電源運(yùn)行波形顯示

狀態(tài)顯示監(jiān)視測試操作與調(diào)整

RY1參數(shù)編輯，報(bào)警顯示 GND伺服驅(qū)動(dòng)器的原理構(gòu)造框圖四、伺服與其他產(chǎn)品的比較4伺服與變頻器的比較伺服的根本概念是準(zhǔn)確、準(zhǔn)確、快速定位。變頻是伺服掌握的一個(gè)必需的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻〔要進(jìn)展無級(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)行掌握，這是很大的區(qū)分。除此外，伺服電機(jī)的構(gòu)造與一般電機(jī)是有區(qū)分的，要滿足快速響限制，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)場應(yīng)用允所謂伺服就是要滿足準(zhǔn)確、準(zhǔn)確、快速定位，只要滿足就不存在伺服變頻之爭。的工作，但近年來，高端變頻器技術(shù)在不斷進(jìn)展，協(xié)作機(jī)電時(shí)間常數(shù)小的電機(jī)也能完成伺服的準(zhǔn)確定位跟蹤的功能，特別是在大功率場合〔異步伺服有價(jià)格優(yōu)勢。伺服本身的功能就是準(zhǔn)確快速定位跟蹤，變頻器做到這種程度那就是伺服。伺服與變頻的一個(gè)重要區(qū)分是:：變頻可以無編碼器,伺服則必需有編碼器，作電子換向用。一、兩者的共同點(diǎn)：過變頻的PWM的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的溝通電先整流成直流電，然后通過可掌握門極的各類晶體管〔IGBT等〕PWM調(diào)整逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動(dòng)電，由于頻率可調(diào)，所以溝通電機(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：V/F掌握方式。現(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學(xué)模型的建立，將溝通電機(jī)的定子磁場UVW3相轉(zhuǎn)化為可以掌握電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)電流的重量，現(xiàn)在大多數(shù)能進(jìn)展力矩掌握的著名品牌的變頻器都是承受這樣方式掌握力矩，UVW每相的輸出要加PID調(diào)整；ABB的變頻v/f的時(shí)候掌握精度和響應(yīng)特性要好很多。三、談?wù)勊欧核欧?qū)動(dòng)器在進(jìn)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)〔變頻器沒有該環(huán)〔固然也有些伺服內(nèi)部集成了掌握單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度5等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動(dòng)器里件使之更優(yōu)越于變頻器。四、電機(jī)方面：〔一般溝通電機(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(dòng)器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電優(yōu)良的變頻器就可以直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)！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)用也不大一樣：1、在速度掌握和力矩掌握的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反響號(hào)掌握速度的，但好象不能直接掌握位置。2、在有嚴(yán)格位置掌握要求的場合中只能用伺服來實(shí)現(xiàn)，還有就是伺服的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)合幾乎都能用伺服取代。綜上所述，伺服是一個(gè)閉環(huán)掌握系統(tǒng)，而變頻器通常工作于開環(huán)掌握，所以無論從速度還是精度上，變頻器都無法和伺服相比；不過,高端閉環(huán)矢量變頻器精度也能滿足很多應(yīng)用場合.大功率狀況，例如100KW的電機(jī)，用伺服就太貴了。用變頻器上的編碼器信號(hào)反響到上端的運(yùn)動(dòng)掌握器，也可實(shí)現(xiàn)(位置)閉環(huán)掌握.也不差.和伺服一樣，取決于連接系統(tǒng)的機(jī)械特性和編碼器區(qū)分率.。伺服系統(tǒng)與步進(jìn)系統(tǒng)的比較力矩范圍速度范圍掌握方式平滑性精度矩頻特性過載特性

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中小力矩〔一般在20Nm以下〕低〔2023rpm1000rpm〕主要是位置掌握低速時(shí)有振動(dòng)〔但用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器則可明顯改善〕一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高高速時(shí)，力矩下降快過載時(shí)會(huì)失步

伺服電機(jī)系統(tǒng)小中大，全范圍高〔5000rpm〕多樣化智能化的掌握方式，位置/速度/轉(zhuǎn)矩方式好，運(yùn)行平滑高〔具體要看編碼器的區(qū)分率〕力矩特性好，特性較硬3〔瞬時(shí)〕反響方式 大多數(shù)為開環(huán)掌握，也可接編碼器， 閉環(huán)方式，編碼器反響6編碼器類型

防止失步無

型〕，旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)速度一般型〕，旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)速度一般快耐振動(dòng)好一般〔旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動(dòng)〕溫升運(yùn)行溫度高一般維護(hù)性根本可以免維護(hù)較好價(jià)格低稍高的數(shù)字掌握系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用格外廣泛。隨著全數(shù)字式溝通伺服系統(tǒng)的消滅，溝通伺〔脈沖串和方向信號(hào)能作一比較。一、掌握精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6、1.80.720.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國百格拉公司〔BERGERLAHR〕生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°0.9°0.72°0.36°0.18°0.09°0.072°0.036°兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部承受了四倍頻技術(shù)，其脈360°/10000=0.036°17217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89″。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖1/655。二、低頻特性不同頻振動(dòng)現(xiàn)象，比方在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上承受細(xì)分技術(shù)等。振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性缺乏，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能〔FFT，可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。三、矩頻特性不同7300～600RPM〔2023RPM3000RPM〕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。四、過載力量不同統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載力量。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于抑制慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便消滅了力矩鋪張的現(xiàn)象。五、運(yùn)行性能不同時(shí)轉(zhuǎn)速過高易消滅過沖的現(xiàn)象，所以為保證其掌握精度，應(yīng)處理好升、降速問題。溝通伺服度環(huán)，一般不會(huì)消滅步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，掌握性能更為牢靠。六、速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速〔一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)〕200～400毫秒。溝通伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W溝通伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的掌握場合。常常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮掌握要求、本錢等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)恼莆针姍C(jī)。溝通伺服電機(jī)與一般電機(jī)的區(qū)分1、依據(jù)電機(jī)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，電機(jī)的種類很多，溝通伺服電機(jī)屬于掌握類電機(jī)。伺服的根本概念是準(zhǔn)確、準(zhǔn)確、快速定位。伺服電機(jī)的構(gòu)造與一般電機(jī)是有區(qū)分的，帶編碼器反響流伺服，這種電機(jī)受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾千瓦以上的同步伺服電機(jī)價(jià)格很貴，在這樣的現(xiàn)場應(yīng)用，多承受溝通異步伺服電機(jī)，往往承受變頻器驅(qū)動(dòng)。2〔一般溝通電機(jī)或恒力矩、恒功率等各類變頻電機(jī)。就是說當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出電流、電壓、頻8了，所以在變頻器的內(nèi)部算法設(shè)定時(shí)為了保護(hù)電機(jī)做了相應(yīng)的過載設(shè)定。3、溝通電機(jī)一般分為同步和異步電機(jī)：、溝通同步電機(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”。、溝通異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈和材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)后