伺服驅(qū)動(dòng)器的基本介紹及工作原理

伺服驅(qū)動(dòng)器(servo drives)又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

基本介紹

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用 。

在伺服驅(qū)動(dòng)器速度閉環(huán)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)速度測(cè)量精度對(duì)于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動(dòng)靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測(cè)量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測(cè)速傳感器，與其對(duì)應(yīng)的常用測(cè)速方法為M/T測(cè)速法。M/T測(cè)速法雖然具有一定的測(cè)量精度和較寬的測(cè)量范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：

1)測(cè)速周期內(nèi)必須檢測(cè)到至少一個(gè)完整的碼盤脈沖，限制了最低可測(cè)轉(zhuǎn)速;

2)用于測(cè)速的2個(gè)控制系統(tǒng)定時(shí)器開(kāi)關(guān)難以嚴(yán)格保持同步，在速度變化較大的測(cè)量場(chǎng)合中無(wú)法保證測(cè)速精度。因此應(yīng)用該測(cè)速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)方案難以提高伺服驅(qū)動(dòng)器速度跟隨與控制性能。

工作原理

目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元(AC-DC)主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來(lái)越多工控技術(shù)服務(wù)商對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

基本要求

伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

1、調(diào)速范圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)

為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。

5、低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng)

一般來(lái)說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過(guò)載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

對(duì)電機(jī)的要求

1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。

2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)故障及處理方法

1、LED燈是綠的，但是電機(jī)不動(dòng)

(1) 故障原因：一個(gè)或多個(gè)方向的電機(jī)禁止動(dòng)作。

處理方法：檢查+INHIBIT 和 –INHIBIT 端口。

(2) 故障原因：命令信號(hào)不是對(duì)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)地的。

處理方法：將命令信號(hào)地和驅(qū)動(dòng)器信號(hào)地相連。

2、上電后，驅(qū)動(dòng)器的LED燈不亮

故障原因：供電電壓太低，小于最小電壓值要求。

處理方法：檢查并提高供電電壓。

3、當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， LED燈閃爍

(1) 故障原因：HALL相位錯(cuò)誤。

處理方法：檢查電機(jī)相位設(shè)定開(kāi)關(guān)是否正確。

(2) 故障原因：HALL傳感器故障。

處理方法：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)Hall A, Hall B, Hall C的電壓。電壓值應(yīng)該在5VDC和0之間。

4、LED燈始終保持紅色

故障原因：存在故障。

處理方法：原因: 過(guò)壓、欠壓、短路、過(guò)熱、驅(qū)動(dòng)器禁止、HALL無(wú)效。5、電機(jī)失速

(1) 故障原因：速度反饋的極性搞錯(cuò)。

處理方法：

a、如果可能，將位置反饋極性開(kāi)關(guān)打到另一位置。(某些驅(qū)動(dòng)器上可以)

b、如使用測(cè)速機(jī)，將驅(qū)動(dòng)器上的TACH+和TACH-對(duì)調(diào)接入。

c、如使用編碼器，將驅(qū)動(dòng)器上的ENC A和ENC B對(duì)調(diào)接入。

d、如在HALL速度模式下，將驅(qū)動(dòng)器上的HALL-1和HALL-3對(duì)調(diào)，再將Motor-A和Motor-B對(duì)調(diào)接好。

(2) 故障原因：編碼器速度反饋時(shí)，編碼器電源失電。

處理方法：檢查連接5V編碼器電源。確保該電源能提供足夠的電流。如使用外部電源，確保該電壓是對(duì)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)地的。

6、電機(jī)在一個(gè)方向上比另一個(gè)方向跑得快

(1) 故障原因：無(wú)刷電機(jī)的相位搞錯(cuò)。

處理方法：檢測(cè)或查出正確的相位。

(2) 故障原因：在不用于測(cè)試時(shí)，測(cè)試/偏差開(kāi)關(guān)打在測(cè)試位置。

處理方法：將測(cè)試/偏差開(kāi)關(guān)打在偏差位置。

(3) 故障原因：偏差電位器位置不正確。

處理方法：重新設(shè)定。

7、示波器檢查驅(qū)動(dòng)器的電流監(jiān)控輸出端時(shí)，發(fā)現(xiàn)它全為噪聲，無(wú)法讀出

故障原因：電流監(jiān)控輸出端沒(méi)有與交流電源相隔離(變壓器)。

處理方法：可以用直流電壓表檢測(cè)觀察。

8、伺服電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)電機(jī)偏差計(jì)數(shù)器溢出錯(cuò)誤，如何處理?

(1)故障原因：高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電機(jī)偏差計(jì)數(shù)器溢出錯(cuò)誤;

處理方法：檢查電機(jī)動(dòng)力電纜和編碼器電纜的配線是否正確，電纜是否有破損。

(2)故障原因：輸入較長(zhǎng)指令脈沖時(shí)發(fā)生電機(jī)偏差計(jì)數(shù)器溢出錯(cuò)誤

處理方法：

a、增益設(shè)置太大，重新手動(dòng)調(diào)整增益或使用自動(dòng)調(diào)整增益功能;

b、延長(zhǎng)加減速時(shí)間;

c、負(fù)載過(guò)重，需要重新選定更大容量的電機(jī)或減輕負(fù)載，加裝減速機(jī)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提高負(fù)荷能力。

(3)故障原因：運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生電機(jī)偏差計(jì)數(shù)器溢出錯(cuò)誤。

處理方法：

a.增大偏差計(jì)數(shù)器溢出水平設(shè)定值;

b.減慢旋轉(zhuǎn)速度;

c.延長(zhǎng)加減速時(shí)間;

d.負(fù)載過(guò)重，需要重新選定更大容量的電機(jī)或減輕負(fù)載，加裝減速機(jī)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提高負(fù)載能力。

9、伺服電機(jī)在有脈沖輸出時(shí)不運(yùn)轉(zhuǎn)，如何處理?

① 監(jiān)視控制器的脈沖輸出當(dāng)前值以及脈沖輸出燈是否閃爍，確認(rèn)指令脈沖已經(jīng)執(zhí)行并已經(jīng)正常輸出脈沖;

② 檢查控制器到驅(qū)動(dòng)器的控制電纜，動(dòng)力電纜，編碼器電纜是否配線錯(cuò)誤，破損或者接觸不良;

③ 檢查帶制動(dòng)器的伺服電機(jī)其制動(dòng)器是否已經(jīng)打開(kāi);

④ 監(jiān)視伺服驅(qū)動(dòng)器的面板確認(rèn)脈沖指令是否輸入;

⑤ Run運(yùn)行指令正常;

⑥ 控制模式務(wù)必選擇位置控制模式;

⑦ 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置的輸入脈沖類型和指令脈沖的設(shè)置是否一致;

⑧ 確保正轉(zhuǎn)側(cè)驅(qū)動(dòng)禁止，反轉(zhuǎn)側(cè)驅(qū)動(dòng)禁止信號(hào)以及偏差計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)沒(méi)有被輸入，脫開(kāi)負(fù)載并且空載運(yùn)行正常，檢查機(jī)械系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅