伺服驱动器的工作原理_机械/仪表_工程科技_专业资料。伺服驱动器的工作原理

　　伺服驱动器的工作原理 随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地 随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地 伺服电机 应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控制系 应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 伺服电机作为执行电动机 在控制方式上 用脉冲串和方向信号实现。 用脉冲串和方向信号实现。 一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式， 一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控 制方式 。 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。 位置控制是通过发脉冲 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。 来控制的。 具体采用什么控制方式要根据客户的要求， 满足何种运动 来控制的。 具体采用什么控制方式要根据客户的要求， 功能来选择。 功能来选择。 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩， 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然 是用转矩模式。 是用转矩模式。 如果对位置和速度有一定的精度要求， 而对实时转矩不是很关心， 用 如果对位置和速度有一定的精度要求， 而对实时转矩不是很关心， 转矩模式不太方便， 用速度或位置模式比较好。 如果上位控制器有比 转矩模式不太方便， 用速度或位置模式比较好。 较好的死循环控制功能， 用速度控制效果会好一点。 如果本身要求不 较好的死循环控制功能， 用速度控制效果会好一点。 是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制 是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制 器没有很高的要求。 器没有很高的要求。 就伺服驱动器的响应速度来看， 就伺服驱动器的响应速度来看， 转矩模式运算量 小，驱动器对控制信号的响应快；位置模式运算量， 小，驱动器对控制信号的响应快；位置模式运算量，驱动器 对控制信号的响应慢。 对控制信号的响应慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。 那么如果控制器本身的运算速度很慢（ 那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如 PLC，或低端运动控制 ， 器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度 ），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快， 就用位置方式控制 方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量， 方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高 的工作量 效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器， 效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器， ）；如果有更好的上位控制器 还可以用转矩方式控制， 把速度环也从驱动器上移开， 这一般只是高 还可以用转矩方式控制， 把速度环也从驱动器上移开， 端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 换一种说法是： 换一种说法是： 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址 、转矩控制： 的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如 10V 的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小， 的线Nm 的话，当外部模拟量设定为 5V 时电机轴输出为 2.5Nm: 时电机正转， 如果电机轴负载低于 2.5Nm 时电机正转， 外部负载等于 2.5Nm 时电 机不转， 时电机反转（通常在有重力负载情况下产生 况下产生）。 机不转，大于 2.5Nm 时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。 可以通过实时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小， 也可通过 可以通过实时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小， 通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 应用主要在对材质的受力有 严格要求的缠绕和放卷的装置中， 例如饶线装置或拉光纤设， 转矩 严格要求的缠绕和放卷的装置中， 例如饶线装置或拉光纤设， 的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随 着缠绕半径的变化而改变。 着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确 、位置控制： 定转动速度的大小， 定转动速度的大小， 通过脉冲的个数来确定转动的角度， 通过脉冲的个数来确定转动的角度， 也有些伺服 可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。 由于位置模式可以对 可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。 速度和位置都有很严格的控制， 所以一般应用于定位装置。 应用领域 速度和位置都有很严格的控制， 所以一般应用于定位装置。 应用领域 如数控机床、印刷机械等等。 如数控机床、印刷机械等等。 机床 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度 、速度模式： 的控制，在有上位控制装置的外环 PID 控制时速度模式也可以进行 的控制， 定位， 但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位回馈以 定位， 做运算用。 做运算用。 位置模式也支持直接负载外环检测位置信号， 位置模式也支持直接负载外环检测位置信号， 此时的电机 轴端的编码器只检测电机转速， 位置信号就由直接的终负载端的检 轴端的编码器只检测电机转速， 测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差， 测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差， 中间传动过程中的误差 增加了整个系统的定位精度。 增加了整个系统的定位精度。 伺服的基本概念是准确、、快速定位。 伺服的基本概念是准确、、快速定位。变频是伺服控制的一个必 须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但 须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但 ）。 伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。 伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。 除此外， 伺服电机的构造与普通电机是有区别的， 要满足快速响应和 除此外， 伺服电机的构造与普通电机是有区别的， 准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服， 准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服， 但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率， 但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几 KW 以上的同 步伺服价格及其昂贵， 步伺服价格及其昂贵， 这样在现场应用允许的情况下多采用交流异步 伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器回馈死循环控制。 伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器回馈死循环控制。 变频器 所谓伺服就是要满足准确、、快速定位， 所谓伺服就是要满足准确、、快速定位，只要满足就不存在伺服 变频之争。 变频之争。 一、两者的共同点： 两者的共同点： 交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术， 交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术， 在直流电机的伺 服控制的基础上通过变频的 PWM 方式模仿直流电机的控制方式来 实现的， 也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节： 变频就是将 实现的， 也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节： 60HZ 的交流电先整流成直流电， 的交流电先整流成直流电， 工频的 50、 、 然后通过可控制门极的 各类晶体管（ 各类晶体管（IGBT，IGCT 等）通过载波频率和 PWM 调节逆变为频 ， 率可调的波形类似于正余弦的脉动电， 率可调的波形类似于正余弦的脉动电， 由于频率可调， 由于频率可调， 所以交流电机 的速度就可调了（ 转速， 频率， 极对数） 的速度就可调了（n=60f/p ，n 转速，f 频率， p 极对数） 二、谈谈变频器： 谈谈变频器： 简单的变频器只能调节交流电机的速度， 这时可以开环也可以死循环 简单的变频器只能调节交流电机的速度， 要视控制方式和变频器而定， 控制方式。 要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的 V/F 控制方式。 现在很多的变频已经通过数学模型的建立， 现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场 UVW3 相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在 相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量， 大多数能进行力矩控制的品牌的变频器都是采用这样方式控制 力矩， 每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置 测装置， 力矩，UVW 每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置，采样回馈后 调节； 构成死循环负反馈的电流环的 PID 调节；ABB 的变频又提出和这样 方式不同的直接转矩控制技术， 具体请查阅有关数据。 这样可以既控 方式不同的直接转矩控制技术， 具体请查阅有关数据。 制电机的速度也可控制电机的力矩， 制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于 v/f 控 制， 编码器回馈也可加可不加， 编码器回馈也可加可不加， 加的时候控制精度和响应特性要好很 多。 三、谈谈伺服： 谈谈伺服： 驱动器方面： 伺服驱动器在发展了变频技术的前提下， 在驱动器内部 驱动器方面： 伺服驱动器在发展了变频技术的前提下， 的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环） 的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频 更的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多， 更的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多， 主要的一点可以进行的位置控制。 通过上位控制器发送的脉冲序 主要的一点可以进行的位置控制。 通过上位控制器发送的脉冲序 （ 列来控制速度和位置 当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总 线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里） ， 线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里） 驱动器内 部的算法和更快更的计算以及性能更优良的电子器件使之更优 电子 部的算法和更快更的计算以及性能更优良的电子器件使之更优 越于变频器。 越于变频器。 电机方面： 伺服电机的材料、 结构和加工工艺要远远高于变频器驱动 电机方面： 伺服电机的材料、 的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也 的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也 ）， 就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时 就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机 电源 电源变化产生响应的动作变化 响应特性和抗超载能力远远 就能根据电源变化产生响应的动作变化， 就能根据电源变化产生响应的动作变化， 高于变频器驱动的交流电机， 电机方面的严重差异也是两者性能不同 高于变频器驱动的交流电机， 的根本。 就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号， 电源信号 而是电 的根本。 就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号， 机本身就反应不了， 机本身就反应不了， 所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了 相应的超载设定。 当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的， 有 相应的超载设定。 当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的， 些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！！！ 些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！！！ 四、谈谈交流电机： 谈谈交流电机： 交流电机一般分为同步和异步电机 1、交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着 、交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后， 电机的定子旋转磁场的变化， 转子也做响应频率的速度变化， 而且转 电机的定子旋转磁场的变化， 转子也做响应频率的速度变化， 子速度=定子速度，所以称 同步 同步”。 子速度 定子速度，所以称“同步 。 定子速度 2、交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后，定子产生 、交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后， 线圈和材料构成 旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流， 旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而 转子产生感应磁场， 转子产生感应磁场， 感应磁场追随定子旋转磁场的变化， 感应磁场追随定子旋转磁场的变化， 但转子的磁 场变化永远小于定子的变化， 一旦等于就没有变化的磁场切割转子的 场变化永远小于定子的变化， 感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失， 感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失 速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。。。所以在交流异步电 速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。。。所以在交流异步电 。。。 机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。 机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。 3、对应交流同步和异步电机变频器就有相映的同步变频器和异步变 、 频器， 伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服， 当然变频器里交 频器， 伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服， 流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。 异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。 五、应用 由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同： 由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同： 1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也 、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器， 有在上位加位置回馈信号构成死循环用变频进行位置控制的， 精度和 有在上位加位置回馈信号构成死循环用变频进行位置控制的， 响应都不高。现有些变频也接受脉 响应都不高。
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