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**產(chǎn)品。
中文名 伺服驅(qū)動(dòng)器 外文名 servo drives 別 名伺服控制器、伺服放大器 實(shí) 質(zhì) 控制伺服電機(jī)的一種控制器
目錄
1 基本介紹
2 工作原理
3 基本要求
4 測(cè)試平臺(tái)
5 有關(guān)參數(shù)
6 應(yīng)用領(lǐng)域
7 控制器特點(diǎn)
8 相關(guān)區(qū)別
基本介紹編輯
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 [1] 。
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,限制了較低可測(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 [1] 。
工作原理編輯
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**,
伺服驅(qū)動(dòng)器(圖1)
伺服驅(qū)動(dòng)器(圖1)
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**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**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?br />
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。
基本要求編輯
伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求
1、調(diào)速范圍寬
伺服驅(qū)動(dòng)器(圖2)
伺服驅(qū)動(dòng)器(圖2)
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)**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、從較低速到較高速電機(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或較低速時(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)。
測(cè)試平臺(tái)編輯
目前,伺服驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試平臺(tái)主要有以下幾種:采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)、采用可調(diào)模擬負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用有執(zhí)行電機(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)和采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái) [2] 。
1采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)
這種測(cè)試系統(tǒng)由四部分組成,分別是三相PWM整流器、被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī),其中兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器互相連接。被測(cè)電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài),負(fù)載電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài),用來(lái)控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速,負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài),通過(guò)控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的電流來(lái)改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小,模擬被測(cè)電機(jī)的負(fù)載變化,這樣互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié),完成各種試驗(yàn)功能測(cè)試。上位機(jī)用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,根據(jù)試驗(yàn)要求向兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令,同時(shí)接收它們的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。 [2]
對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng),采用高性能的矢量控制方式對(duì)被測(cè)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備分別進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩控制,即可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能,完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但由于使用了兩套伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),所以這種測(cè)試系統(tǒng)體積龐大,不能滿足便攜式的要求,而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。 [2]
2采用可調(diào)模擬負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)
這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成,分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、可調(diào)模擬負(fù)載及上位機(jī)??烧{(diào)模擬負(fù)載如磁粉制動(dòng)器、電力測(cè)功機(jī)等,它和被測(cè)電動(dòng)機(jī)同軸相連。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)控制可調(diào)模擬負(fù)載來(lái)控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩,同時(shí)采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)對(duì)可調(diào)模擬負(fù)載進(jìn)行控制,也可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能,完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但這種測(cè)試系統(tǒng)體積仍然比較大,不能滿足便攜式的要求,而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。 [2]
3采用有執(zhí)行電機(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)
這種測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成,分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器按照指令開始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中,上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。由于這種測(cè)試系統(tǒng)中電機(jī)不帶負(fù)載,所以與**兩種測(cè)試系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)體積相對(duì)減小,而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較簡(jiǎn)單,但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)行情況。通常情況下,此類測(cè)試系統(tǒng)僅用于被測(cè)系統(tǒng)在空載情況下的轉(zhuǎn)速和角位移的測(cè)試,而不能對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。 [2]
4采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)
這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成,分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負(fù)載及上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服系統(tǒng)按照指令開始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中,上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。 [2]
對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng),負(fù)載采用被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載,因此測(cè)試過(guò)程貼近于伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際工作情況,測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。但由于有的被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載不方便從裝備上移走,因此測(cè)試過(guò)程只能在裝備上進(jìn)行,不是很方便。 [2]
5采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái)
這種測(cè)試系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)字采集系統(tǒng)將伺服驅(qū)動(dòng)器在裝備中的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理,然后送給數(shù)據(jù)處理單元供其進(jìn)行處理和分析,較終由數(shù)據(jù)處理單元做出測(cè)試結(jié)論。由于采用在線測(cè)試方法,因此這種測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,而且不用將伺服驅(qū)動(dòng)器從裝備中分離出來(lái),使測(cè)試較加便利。此類測(cè)試系統(tǒng)完全根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行測(cè)試,因此測(cè)試結(jié)論較加貼近實(shí)際情況。但是由于許多伺服驅(qū)動(dòng)器在制造和裝配方面的特點(diǎn),此類測(cè)試系統(tǒng)中的各種傳感器及信號(hào)測(cè)量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現(xiàn)故障,也會(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)造成不良影響,較終影響其測(cè)試結(jié)果。 [2]
有關(guān)參數(shù)編輯
位置比例增益
1、設(shè)定位置環(huán)調(diào)節(jié)器的比例增益;
2、設(shè)置值越大,增益越高,剛度越大,相同頻率指令脈沖條件下,位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會(huì)引起振蕩或**調(diào);
3、參數(shù)數(shù)值由具體的伺服系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載情況確定。
位置前饋增益
1、設(shè)定位置環(huán)的前饋增益;
2、設(shè)定值越大時(shí),表示在任何頻率的指令脈沖下,位置滯后量越?。?br />
3、位置環(huán)的前饋增益大,控制系統(tǒng)的高速響應(yīng)特性提高,但會(huì)使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生振蕩;
4、不需要很高的響應(yīng)特性時(shí),本參數(shù)通常設(shè)為0表**圍:0~**。
速度比例增益
1、設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例增益;
2、設(shè)置值越大,增益越高,剛度越大。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載值情況確定。一般情況下,負(fù)載慣量越大,設(shè)定值越大;
3、在系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的條件下,盡量設(shè)定較大的值。
速度積分時(shí)間常數(shù)
1、設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù);
2、設(shè)置值越小,積分速度越快。參數(shù)數(shù)值根據(jù)具體的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)和負(fù)載情況確定。一般情況下,負(fù)載慣量越大,設(shè)定值越大;
3、在系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的條件下,盡量設(shè)定較小的值。
速度反饋濾波因子
1、設(shè)定速度反饋低通濾波器特性;
2、數(shù)值越大,截止頻率越低,電機(jī)產(chǎn)生的噪音越小。如果負(fù)載慣量很大,可以適當(dāng)減小設(shè)定值。數(shù)值太大,造成響應(yīng)變慢,可能會(huì)引起振蕩;
3、數(shù)值越小,截止頻率越高,速度反饋?lái)憫?yīng)越快。如果需要較高的速度響應(yīng),可以適當(dāng)減小設(shè)定值。
較大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置
1、設(shè)置伺服電機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制值;
2、設(shè)置值是額定轉(zhuǎn)矩的百分比;
3、任何時(shí)候,這個(gè)限制都有效定位完成范圍;
4、設(shè)定位置控制方式下定位完成脈沖范圍;
5、本參數(shù)提供了位置控制方式下驅(qū)動(dòng)器判斷是否完成定位的依據(jù),當(dāng)位置偏差計(jì)數(shù)器內(nèi)的剩余脈沖數(shù)小于或等于本參數(shù)設(shè)定值時(shí),驅(qū)動(dòng)器認(rèn)為定位已完成,到位開關(guān)信號(hào)為 ON,否則為OFF;
6、在位置控制方式時(shí),輸出位置定位完成信號(hào),加減速時(shí)間常數(shù);
7、設(shè)置值是表示電機(jī)從0~2000r/min的加速時(shí)間或從2000~0r/min的減速時(shí)間;
8、加減速特性是線性的到達(dá)速度范圍;
9、設(shè)置到達(dá)速度;
10、在非位置控制方式下,如果電機(jī)速度**過(guò)本設(shè)定值,則速度到達(dá)開關(guān)信號(hào)為ON,否則為OFF;
11、在位置控制方式下,不用此參數(shù);
12、與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)。