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[導(dǎo)讀]伺服:一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具,服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。

一、伺服電機(jī)(servomotor)的由來(lái)和定義

伺服:一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具,服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。

伺服系統(tǒng):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(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理,使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

由于它的“伺服”性能,因此它就被命名為伺服電機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)為軸上輸出的角位移和角速度驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

伺服電機(jī)一般分為兩大類(lèi):直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。

二、交流伺服電動(dòng)機(jī)

1、交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組,一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個(gè)是控制繞組L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性,無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能,它與普通電動(dòng)機(jī)相比,應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子,為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng);另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子,杯壁很薄,僅0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子??招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小,反應(yīng)迅速,而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。

2、交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí),定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí),定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn),在負(fù)載恒定的情況下,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化,當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

3、伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比,有三個(gè)顯著特點(diǎn):

(1)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

由于轉(zhuǎn)子電阻大,與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比,有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機(jī)械特性)更接近于線性,而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此,當(dāng)定子一有控制電壓,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng),即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

(2)、運(yùn)行范圍較廣

(3)、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī),只要失去控制電壓,電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后,它處于單相運(yùn)行狀態(tài),由于轉(zhuǎn)子電阻大,定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性以及合成轉(zhuǎn)矩特性.

交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V;當(dāng)電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性,并且由于轉(zhuǎn)子電阻大,損耗大,效率低,因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

直流伺服電機(jī),它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成 。伺服主要靠脈沖來(lái)定位,基本上可以這樣理解,伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖,就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度,從而實(shí)現(xiàn)位移,因?yàn)?,伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖,這樣,和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng),或者叫閉環(huán),如此一來(lái),系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī),同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái),這樣,就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)精確的定位,可以達(dá)到0.001mm 。

直流伺服電機(jī)特指直流有刷伺服電機(jī)——電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護(hù),但維護(hù)不方便(換碳刷),會(huì)產(chǎn)生電磁干擾,對(duì)環(huán)境有要求 。因此它不可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合 。

直流伺服電機(jī)還包括直流無(wú)刷伺服電機(jī)——電機(jī)體積小,重量輕,出力大,響應(yīng)快,速度高,慣量小,轉(zhuǎn)動(dòng)平滑,力矩穩(wěn)定,電機(jī)功率有局限做不大 。容易實(shí)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(jī)免維護(hù)不存在碳刷損耗的情況,效率很高,運(yùn)行溫度低噪音小,電磁輻射很小,長(zhǎng)壽命,可用于各種環(huán)境 。

直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理

1、位置檢測(cè)與信號(hào)綜合環(huán)節(jié)

(1)旋轉(zhuǎn)變壓器:是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化的角位移測(cè)量裝置 。

(2)相敏放大器:將交流電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓,并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應(yīng) 。

(3)位置檢測(cè)與信號(hào)綜合環(huán)節(jié)

2、脈寬調(diào)制型(PWM)功率放大

基本原理:利用大功率電器的開(kāi)關(guān)作用,將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓,通過(guò)對(duì)方脈沖寬度的控制,改變輸出電壓的平均值 。

(1)PWM變換器

(2)雙極型PWM變換器

根據(jù)圖很容易導(dǎo)出雙極式可逆PWM變換器電樞兩端平均電壓的表達(dá)式

雙極式PWM變換器特點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn):

①電流連續(xù);

②可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行;

③電動(dòng)機(jī)停止時(shí),有微振電流,能消除摩擦死區(qū);

④低速時(shí),每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有個(gè)晶體管的可靠導(dǎo)通;

⑤低速時(shí)平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍寬 。

缺點(diǎn):

在工作過(guò)程中,四個(gè)功率晶體管都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),開(kāi)關(guān)損耗大,且容易發(fā)生上、下兩管直通的事故 。為了防止上、下兩管同時(shí)導(dǎo)通,在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間,應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí) 。

直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素有以下幾個(gè)方面:由檢測(cè)元件引起的檢測(cè)誤差;由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)引起的原理誤差;負(fù)載擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差 。

1.檢測(cè)誤差

2.原理誤差

3.擾動(dòng)誤差

直流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正

方法:

1、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 。

2、位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 。

直流伺服系統(tǒng)的組成及其控制直流伺服和交流伺服相似,可以采用控制器開(kāi)環(huán)控制方式,控制器半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制系統(tǒng) 。

直流伺服系統(tǒng)控制面板結(jié)構(gòu)如下,面板右側(cè)為與直流伺服電機(jī)接口板的接口,包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口和編碼器接口;左側(cè)為與運(yùn)動(dòng)控制器面板的接口,包括位置控制模式接口和速度控制模式接口 。

M+,M-信號(hào)為直流無(wú)刷伺服電機(jī)的電源線,用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng) 。

A+,A-,B+,B-,C+,C-,5+,0V信號(hào)為編碼器信號(hào),用于反饋電機(jī)軸的實(shí)際位置 。

A,/A,B,/B,C,/C,+5V,PUL+,DIR+,OGND,OVCC,GND,DAC,RESET,ALM,ENABLE為與控制器相連的控制信號(hào) 。

其含義為:

A,/A,B,/B,C,/C為驅(qū)動(dòng)器反饋給運(yùn)動(dòng)器控制器的編碼器信號(hào) 。

+5V為電源 。

PUL+,PUL-為脈沖信號(hào),用于位置模式下的電機(jī)控制 。

DIR+,DIR-為方向信號(hào),用于位置模式下的電機(jī)控制 。

OGND,OVCC,GND分別為模擬地,模擬電源和數(shù)字地 。

DAC為驅(qū)動(dòng)器接受的模擬控制信號(hào),范圍一般為-10V-10V 。

RESET,ALM,ENABLE為控制信號(hào),分別表示驅(qū)動(dòng)器的復(fù)位,報(bào)警以及使能功能 。

直流伺服驅(qū)動(dòng)器通常具有速度控制模式和位置控制模式 。

采用位置模式時(shí),輸入控制信號(hào)為脈沖和方向(或是正負(fù)脈沖),采用速度模式時(shí),輸入控制信號(hào)為模擬量 。驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為速度控制信號(hào),經(jīng)過(guò)速度控制器轉(zhuǎn)化為電流控制信號(hào),電流信號(hào)通過(guò)PWM回路作用于功率擴(kuò)大模塊的輸出模塊,最后施加給電機(jī) 。

直流伺服驅(qū)動(dòng)器采用IDM智能伺服驅(qū)動(dòng)器

IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全數(shù)字化的伺服驅(qū)動(dòng)器,可驅(qū)動(dòng)方波或正弦波無(wú)刷伺服電機(jī)(PMSM),直流有伺服電機(jī),通過(guò)CAN或RS-485接口可組成多達(dá)256個(gè)軸的分布式智能網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),嵌入的高級(jí)可編程運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言(TML)提供各種高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制和plc專(zhuān)用功能 。

主要特點(diǎn)如下 :

分布式智能,單軸主控運(yùn)行或從動(dòng)軸模式

控制模式:位置,速度,轉(zhuǎn)矩,電壓,外部變量

運(yùn)動(dòng)模式:脈沖+方向,電子齒輪,Profiling,Contouring

可編程保護(hù):位置誤差,過(guò)流,過(guò)壓或欠壓,I2t,

DSP控制技術(shù):基于MoTIonChipTM 技術(shù)

RS232/485串行接口,波特率可達(dá)115KB

CAN2.0局域總線,兼容CANopen,波特率可達(dá)1MHz

輸出電流:連續(xù)電流5A/8A,峰值電流16A,

電源電壓:12-48VDC(IDM240) ,12-48VDC(邏輯電源)/80V(電機(jī))(IDM640)

緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):136 x 84.5 x 26 mm

控制軟件采用Easy MoTIon Studio,控制軟件特點(diǎn)如下:

高級(jí)圖形化評(píng)估分析編程工具EasyMoTIon Studio平臺(tái)快速設(shè)置電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)及編程運(yùn)動(dòng)程序,TML_LIB函數(shù)庫(kù)是智能化伺服驅(qū)動(dòng)器在 PC上執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的一個(gè)函數(shù)庫(kù),在C/C++、Basic、Delphi、Labview開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序中調(diào)用庫(kù)中的.DLL文件執(zhí)行后,能直接與驅(qū)動(dòng)器通信、設(shè)置參數(shù)、查詢(xún)狀態(tài)、傳送命令、定義運(yùn)動(dòng)事件,測(cè)試輸入輸出口狀態(tài)等 。

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備, 由于直流電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大力矩的特點(diǎn),是交流電動(dòng)機(jī)無(wú) 法取代的, 因此調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備—直流調(diào)速器,具有廣闊的應(yīng)用天地。

直流調(diào)速器的工作原理:

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備,上端和交流電源連接,下端和直流電動(dòng)機(jī)連接。直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源,一路輸入給直流電機(jī)礪磁(定子),一路輸入給直流電機(jī)電樞(轉(zhuǎn)子),直流調(diào)速器通過(guò)控制電樞直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

同時(shí)直流電動(dòng)機(jī)給調(diào)速器一個(gè)反饋電流,調(diào)速器根據(jù)反饋電流來(lái)判斷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況,必要時(shí)修正電樞電壓輸出,以此來(lái)再次調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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