伺服控制
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饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。
2、伺服系統(tǒng)的組成及分類
組成:
伺服系統(tǒng)是以位置和角度為控制量的控制系統(tǒng)的總稱,與位置和角度相關(guān)聯(lián)的速度、角速度、加速度、力等為控制量的系統(tǒng)也包含在伺服系統(tǒng)內(nèi)。
分類:
(1)按控制結(jié)構(gòu)分類分為:開環(huán)式、閉環(huán)式。
(2) 按驅(qū)動部件分類分為:
a. 步進電動機伺服系統(tǒng)。
b. 直流電動機伺服系統(tǒng)。
c. 交流電動機伺服系統(tǒng)。
3、伺服馬達(交流)的特點
(1) 定位精度高,普通伺服馬達可達到0.036度
(2) 回應(yīng)時間快。
(3) 控制方便靈活,控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)。
(4)型號較多,可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的類型。
(5)提供全閉環(huán)控制,可適時監(jiān)控運行狀況,進行適當?shù)恼{(diào)整變換。
4、伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5、伺服控制的選型步驟
(2)確認動作參數(shù),移動速度、行程、加減速時間、周期、精度等。
(3)選擇馬達慣量,負載慣量、馬達軸心轉(zhuǎn)換慣量、轉(zhuǎn)子慣量。
(4)選擇馬達回轉(zhuǎn)速度。
(5)選擇馬達額定扭矩。負載扭矩、加減速扭矩、瞬間最大扭矩、實效扭矩。
(6)選擇馬達機械位置解析度。
(7) 根據(jù)以上選擇馬達型號。
6、伺服控制的應(yīng)用
步進控制
1、步進電機的工作原理
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的??梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機,利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。
2、步進電機的分類
現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。
(1)永磁式步進電機一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進角一般為7.5度 或15度;
(2)反應(yīng)式步進電機一般為三相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,定子上有多相勵磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
(3)混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
3、步進電機系統(tǒng)
(1)步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語
a. 相數(shù):產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。
b.拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一 個齒距角所需脈沖數(shù) 。
c. 步距角:對應(yīng)一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。
d. 定位轉(zhuǎn)矩:電機在不通電狀態(tài)下,電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以 及機械誤差造成的)。
e. 靜轉(zhuǎn)矩:電機在額定靜態(tài)電作用下,電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。
(2)步進電機動態(tài)指標及術(shù)語
a. 步距角精度:步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。
b. 失步:電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
c. 失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 。
d. 最大空載起動頻率:電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。
e. 最大空載的運行頻率:電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
f. 運行矩頻特性:電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性 。
4、步進電機選型
(1)步距角的選擇:電機的步距角取決于負載精度的要求 。
(2) 靜力矩的選擇:靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載 ,一般情況下,靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)最好 。
(3)電流的選擇:由于電流參數(shù)不同,其運行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機的電流。
5、步進電機的一些特點
(1)一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。
(2)步進電機外表允許的最高溫度一般在攝氏130度以上 。
(3) 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
(4)步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于 一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
(5)步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)。
6、兩種電機之性能比較
(1)控制精度不同五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°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 ,對于帶標準2500線編碼器的電機而言,其脈沖當量為360°/10000=0.036°,伺服電機精度要比步進馬達高。
(2)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。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。
(3)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 。
(4)運行性能不同步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。
(5)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200~400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,可用于要求快速啟停的控制場合
(6) 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,交流伺服電機為恒力矩輸出。
綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以,在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當?shù)目刂齐姍C。
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