伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機,是一種補助電機間接變速裝置。伺服電機可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動(dòng)控制系統中,用作執行元件,且具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性,可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi),其主要特點(diǎn)是,當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象,轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。
伺服電機的工作原理
1、伺服系統是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標的任意變化的自動(dòng)控制系統。伺服主要靠脈沖來(lái)定位,基本上可以這樣理解,伺服電機接收到1個(gè)脈沖,就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度,從而實(shí)現位移,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一個(gè)角度,都會(huì )發(fā)出對應數量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫閉環(huán),如此一來(lái),系統就會(huì )知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機,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的轉動(dòng),從而實(shí)現精確的定位,可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無(wú)刷電機。有刷電機成本低,結構簡(jiǎn)單,啟動(dòng)轉矩大,調速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護不方便,產(chǎn)生電磁干擾,對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無(wú)刷電機體積小,重量輕,出力大,響應快,速度高,慣量小,轉動(dòng)平滑,力矩穩定。控制復雜,容易實(shí)現智能化,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(cháng)壽命,可用于各種環(huán)境。
2、交流伺服電機也是無(wú)刷電機,分為同步和異步電機,目前運動(dòng)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,最高轉動(dòng)速度低,且隨著(zhù)功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。
3、伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉子在此磁場(chǎng)的作用下轉動(dòng),同時(shí)電機自帶的編碼器反饋信號給驅動(dòng)器,驅動(dòng)器根據反饋值與目標值進(jìn)行比較,調整轉子轉動(dòng)的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度。交流伺服電機和無(wú)刷直流伺服電機在功能上的區別:交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單,便宜。
交流伺服電機和直流伺服電動(dòng)機的區別
直流伺服電機的結構和普通直流電機差不多,只是直流電機為滿(mǎn)足低慣量采用細長(cháng)電樞,盤(pán)形或空心杯的。交流伺服電機有兩相交流繞組,空間相差90點(diǎn)角度,其中一組為勵磁繞組,另一組為控制繞組。其控制方式有幅值控制,相位控制,幅值相位復合控制。大多采用復合控制。交流伺服電機的轉子電阻一般很大,這樣可以防止自轉,當控制電壓消失后,由于有勵磁電壓,此時(shí)的交流伺服電機中會(huì )有脈振磁動(dòng)勢,由于電阻大,T-S曲線(xiàn)發(fā)生偏移,反轉的磁場(chǎng)產(chǎn)生的T要變大,所以此時(shí)合成的T為制動(dòng)性質(zhì)的,會(huì )停轉。
交流伺服電機比直流伺服電機性能好一些
從定義上講,交流伺服電機是,交流電機的一種,通過(guò)
伺服驅動(dòng)器的矢量控制理論控制電機的扭矩,速度,位置等等,把交流電通過(guò)等換計算的方式去控制電機,所以制造技術(shù)和
伺服驅動(dòng)器的軟件方面比較難開(kāi)發(fā),國內廠(chǎng)家目前都在仿造日系或者歐美產(chǎn)品。
直流伺服電機,就是把直流電機加上編碼器形成閉環(huán)控制,電機的控制方法基本就是改變電流的大小來(lái)改變電機的扭矩,速度等參數。我國最早的伺服系統就是直流伺服系統,軍工方面用的比較多,發(fā)展歷史時(shí)間長(cháng)。我國最早的衛星東方紅,控制方向的就用的直流伺服電機。
推薦使用交流伺服電機,直流伺服電機太熱,控制精度不好。使用壽命短。
伺服電機與單相異步電機比較
交流伺服電機的工作原理與分相式單相異步電機雖然相似,但前者的轉子電阻比后者大得多,所以伺服電機與單機異步電機相比,有三個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn):
1、啟動(dòng)轉矩大
由于轉子電阻大,與普通異步電機的轉矩特性曲線(xiàn)相比,有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0>1,這樣不僅使轉矩特性更接近于線(xiàn)性,而且具有較大的起動(dòng)轉矩。因此,當定子一有控制電壓,轉子立即轉動(dòng),即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。
2、運行范圍較廣
3、無(wú)自轉現象
正常運轉的伺服電機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉。當伺服電機失去控制電壓后,它處于單相運行狀態(tài),由于轉子電阻大,定子中兩個(gè)相反方向旋轉的旋轉磁場(chǎng)與轉子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉矩特性以及合成轉矩特性。交流伺服電機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V;當電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。
交流伺服電機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線(xiàn)性,并且由于轉子電阻大,損耗大,效率低,因此與同容量直流伺服電機相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統。
伺服電機的調試方法
1、初始化參數
在接線(xiàn)之前,先初始化參數。
在控制卡上:選好控制方式;將PID參數清零;讓控制卡上電時(shí)默認使能信號關(guān)閉;將此狀態(tài)保存,確保控制卡再次上電時(shí)即為此狀態(tài)。
在伺服電機上:設置控制方式;設置使能由外部控制;編碼器信號輸出的齒輪比;設置控制信號與電機轉速的比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),建議使伺服工作中的最大設計轉速對應9V的控制電壓。比如,山洋是設置1V電壓對應的轉速,出廠(chǎng)值為500,如果你只準備讓電機在1000轉以下工作,那么,將這個(gè)參數設置為111。
2、接線(xiàn)
將控制卡斷電,連接控制卡與伺服之間的信號線(xiàn)。以下的線(xiàn)是必須要接的:控制卡的模擬量輸出線(xiàn)、使能信號線(xiàn)、伺服輸出的編碼器信號線(xiàn)。復查接線(xiàn)沒(méi)有錯誤后,電機和控制卡上電。此時(shí)電機應該不動(dòng),而且可以用外力輕松轉動(dòng),如果不是這樣,檢查使能信號的設置與接線(xiàn)。用外力轉動(dòng)電機,檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化,否則檢查編碼器信號的接線(xiàn)和設置
3、試方向
對于一個(gè)閉環(huán)控制系統,如果反饋信號的方向不正確,后果肯定是災難性的。通過(guò)控制卡打開(kāi)伺服的使能信號。這是伺服應該以一個(gè)較低的速度轉動(dòng),這就是傳說(shuō)中的“零漂”。一般控制卡上都會(huì )有抑制零漂的指令或參數。使用這個(gè)指令或參數,看電機的轉速和方向是否可以通過(guò)這個(gè)指令控制。如果不能控制,檢查模擬量接線(xiàn)及控制方式的參數設置。確認給出正數,電機正轉,編碼器計數增加;給出負數,電機反轉轉,編碼器計數減小。如果電機帶有負載,行程有限,不要采用這種方式。測試不要給過(guò)大的電壓,建議在1V以下。如果方向不一致,可以修改控制卡或電機上的參數,使其一致。
4、抑制零漂
在閉環(huán)控制過(guò)程中,零漂的存在會(huì )對控制效果有一定的影響,最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數,仔細調整,使電機的轉速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性,所以,不必要求電機轉速絕對為零。
5、建立閉環(huán)控制
再次通過(guò)控制卡將伺服使能信號放開(kāi),在控制卡上輸入一個(gè)較小的比例增益,至于多大算較小,這只能憑感覺(jué)了,如果實(shí)在不放心,就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開(kāi)。這時(shí),電機應該已經(jīng)能夠按照運動(dòng)指令大致做出動(dòng)作了。
6、調整閉環(huán)參數
細調控制參數,確保電機按照控制卡的指令運動(dòng),這是必須要做的工作,而這部分工作,更多的是經(jīng)驗,這里只能從略了。
步進(jìn)電機作為一種開(kāi)環(huán)控制的系統,和現代數字控制技術(shù)有著(zhù)本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內的數字控制系統中,步進(jìn)電機的應用十分廣泛。隨著(zhù)全數字式交流伺服系統的出現,交流伺服電機也越來(lái)越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢,運動(dòng)控制系統中大多采用步進(jìn)電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動(dòng)機。雖然兩者在控制方式上相似,但在使用性能和應用場(chǎng)合上存在著(zhù)較大的差異。現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(jìn)電機步距角一般為1.8°、0.9°,五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機通過(guò)細分后步距角更小。如三洋公司生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置為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)電機的步距角。
交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以三洋全數字式交流伺服電機為例,對于帶標準2000線(xiàn)編碼器的電機而言,由于驅動(dòng)器內部采用了四倍頻技術(shù),其脈沖當量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機而言,驅動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°,是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當量的1/655。
二、低頻特性不同
步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象。振動(dòng)頻率與負載情況和驅動(dòng)器性能有關(guān),一般認為振動(dòng)頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進(jìn)電機工作在低速時(shí),一般應采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現象,比如在電機上加阻尼器,或驅動(dòng)器上采用細分技術(shù)等。
交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時(shí)也不會(huì )出現振動(dòng)現象。交流伺服系統具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統內部具有頻率解析機能,可檢測出機械的共振點(diǎn),便于系統調整。
三、矩頻特性不同
步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時(shí)會(huì )急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速以?xún)龋寄茌敵鲱~定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。
四、過(guò)載能力不同
步進(jìn)電機一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力。以三洋交流伺服系統為例,它具有速度過(guò)載和轉矩過(guò)載能力。其最大轉矩為額定轉矩的二到三倍,可用于克服慣性負載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒(méi)有這種過(guò)載能力,在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉矩的電機,而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩,便出現了力矩浪費的現象。
五、運行性能不同
步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制,啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象,停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制,驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣,內部構成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象,控制性能更為可靠。
六、速度響應性能不同
步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速需要200~400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好,以山洋400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。
綜上所述,交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來(lái)做執行電動(dòng)機。所以,在控制系統的設計過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當的控制電機。
伺服電機的制動(dòng)方式的理解
用戶(hù)往往對電磁制動(dòng),再生制動(dòng),動(dòng)態(tài)制動(dòng)的作用混淆,選擇了錯誤的配件。
動(dòng)態(tài)制動(dòng)器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成,在故障、急停、電源斷電時(shí)通過(guò)能耗制動(dòng)縮短伺服電機的機械進(jìn)給距離。
再生制動(dòng)是指伺服電機在減速或停車(chē)時(shí)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變回路反饋到直流母線(xiàn),經(jīng)阻容回路吸收。
電磁制動(dòng)是通過(guò)機械裝置鎖住電機的軸。
三者的區別:
(1)再生制動(dòng)必須在伺服器正常工作時(shí)才起作用,在故障、急停、電源斷電時(shí)等情況下無(wú)法制動(dòng)電機。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)工作時(shí)不需電源。
(2)再生制動(dòng)的工作是系統自動(dòng)進(jìn)行,而動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)的工作需外部繼電器控制。
(3)電磁制動(dòng)一般在SV、OFF后啟動(dòng),否則可能造成放大器過(guò)載,動(dòng)態(tài)制動(dòng)器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動(dòng),否則可能造成動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻過(guò)熱。
伺服電機的注意事項
一、伺服電機油和水的保護
A:伺服電機可以用在會(huì )受水或油滴侵襲的場(chǎng)所,但是它不是全防水或防油的。因此,伺服電機不應當放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。
B:如果伺服電機連接到一個(gè)減速齒輪,使用伺服電機時(shí)應當加油封,以防止減速齒輪的油進(jìn)入伺服電機
C:伺服電機的電纜不要浸沒(méi)在油或水中。
二、伺服電機電纜→減輕應力
A:確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負荷,尤其是在電纜出口處或連接處。
B:在伺服電機移動(dòng)的情況下,應把電纜牢固地固定到一個(gè)靜止的部分,并且應當用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來(lái)延長(cháng)它,這樣彎曲應力可以減到最小。
C:電纜的彎頭半徑做到盡可能大。
三、伺服電機允許的軸端負載