相关文章推荐
刚分手的领结  ·  诸天重生_百度百科·  2 年前    · 
(1)伺服系统:是使物体的位置、方位、状态等输出,能够跟随输入量(或 给定值 )的任意变化而变化的 自动控制系统
(2)在自动控制系统中,能够以一定的 准确度 响应控制信号的系统称为随动系统,亦称 伺服系统
伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使 驱动装置 输出的力矩、速度和 位置控制 得非常灵活方便。
1.3 伺服系统的分类及组成
伺服系统按 系统结构 可分为 开环 伺服系统、 闭环伺服系统 、半 闭环系统 复合控制系统
具有反馈的闭环 自动控制系统 由位置检测部分、偏差放大部分、执行部分及被控对象组成。
1.4 伺服系统的性能要求
伺服系统必须具备 可控性 好,稳定性高和适应性强等基本性能。说明一下,可控性好是指讯号消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指 转矩 随转速的增加而均匀下降;适应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。
1.5 伺服系统的种类
通常根据伺服 驱动机 的种类来分类,有电气式、油压式或电气—油压式三种。
伺服系统若按功能来分,则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和 加速度 伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和 AC 交流伺服系统 二大类。AC交流伺服系统又有 异步电机 伺服系统和 同步电机 伺服系统两种。
伺服与变频的一个重要区别是: 变频可以无 编码器 ,伺服则必须有编码器,作电子换向用。
一、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,在 直流电机 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:变频就是将工频的50、60HZ的 交流电 先整流成直流电,然后通过可控制 门极 的各类 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,由于频率可调,所以 交流电机 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:
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闭环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。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,大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式 控制力矩 ,UVW每相的输出要加 霍尔效应 的电流 检测装置 ,采样反馈后构成闭环负反馈的 电流环 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,具体请查阅有关资料。这样可以既控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,编码器反馈也可加可不加,加的时候控制精度和 响应特性 要好很多。
三、谈谈伺服:
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精确的 控制技术 和算法运算,在功能上也比传统的伺服强大很多,主要的一点可以进行精确的位置控制。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),驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的 电子器件 使之更优越于变频器。
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,伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化,响应特性和抗 过载能力 远远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,而是电机本身就反应不了,所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的,有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
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,而且转子速度=定子速度,所以称"同步"。
2、 交流异步电机 :转子由 感应线圈 和材料构成。转动后,定子产生旋转磁场,磁场切割转子的感应线圈,转子线圈产生 感应电流 ,进而转子产生感应磁场,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就有相应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,当然变频器里交流异步变频常见,伺服则交流同步伺服常见。
3.1 AC 伺服系统
电气伺服 技术应用 最广,主要原因是控制方便,灵活,容易获得驱动能源,没有 公害 污染,维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展,它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。
早在70年代,小 惯量 的伺服 直流电动机 已经实用化了。到了70年代末期 交流伺服系统 开始发展,逐步实用化,AC 伺服电动机 的应用越来越广,并且还有取代 DC 伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 永磁转子 的同步伺服电动机由于 永磁材料 不断提高,价格不断下降,控制又比 异步电机 简单,容易实现高性能的缘故,所以 永磁同步电机 的AC伺服系统应用更为广泛。
在交流同步 伺服驱动系统 中,普通应用的交流 永磁同步 伺服电动机 有两大类。
一类称为 无刷直流电动机 ,它要求将 方波 电流直入 定子绕组 BLDCM
另一类称为 三相 永磁同步电动机 ,它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)
无刷直流电动机(BLDCM),用装有 永磁体 的转子取代有刷直流电动机的定子磁极,将原直流电动机的 电枢 变为定子。有刷直流电动机是依靠机械 换向器 直流电流 转换为近似 梯形波 交流电流 供给 电枢绕组 ,而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的 定子和转子 颠倒一下,并采用永磁转子,就可以省去机械换向器和 电刷 ,由此得名无刷直流电动机。BLDCM定子每相 感应电动势 为梯形波,为了产生恒定的 电磁转矩 ,要求功率 逆变器 向BLDCM定子输入三相对称方波电流,而 SPWM 、PM、SM定子每相感应电动势为近似 正弦波 ,需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。
永磁同步电机 的磁场来自电动机的转子上的 永久磁铁 ,永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性,采用的永磁材料主要有 铁淦氧 铝镍钴 钕铁硼 以及SmCO5 Sm2CO17.
在转子上安装 永磁铁 的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面,即所谓外装式;另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面,即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。
根据确定的转子结构所对应的每相 励磁 磁动势 的分布不同,三相 永磁同步电动机 可分为两种类型:正弦波型和方波型永磁同步电机,前者每相励磁磁动势分布是正弦波状,后者每相励磁磁动势分布呈方波状,根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构,永磁体直接面向均匀气隙,如果采用系统永磁材料,由于 稀土永磁 的取向性好,可以方便的获得具有较好方波形状的 气隙磁场 。对于采用非均匀气隙 或非 均匀 磁化方向 长度的永磁体的径向励磁结构,气隙磁场波形可以实现正弦分布。
综上所述两类永磁AC同步 伺服电动机 的差异归纳如下::
控制原理相似,给定指令信号加到AC伺服系统的输入端,电动机轴上 位置反馈 信号与给定位置相比较,根据比较结果控制伺服的运动,直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。
两种 永磁无刷电动机 比较而言,方波 无刷直流电动机 具有控制简单、成本低、 检测装置 简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷,因电枢中电流和电枢 磁势 移动的 不连续性 而存在电磁脉动,而这种脉动在高速运转时产生噪声,在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度 控制特性 恶化,从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的 伺服驱动 场合下的应用(尤其是在低速 直接驱动 场合)。因此,对于一般性能的电伺服 驱动控制系统 ,选用方波无刷直流电动机及相应的 控制方式 。而PM、SM伺服 系统要求 定子 输入三相正弦波电流,可以获得更好的平稳性,具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于 数控机床 ,工业机器人等高性能高精度的 伺服驱动系统 中。
3.2 伺服系统的发展过程
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程,电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。 交流伺服系统 按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。
由于 直流伺服电动机 存在电机结构复杂,维修工作量大例如电机的电刷、换向器等则成为直流伺服驱动 技术发展 的瓶颈。随着 微处理技术 、大功率 电力电子技术 的成熟和交流永磁电机材料的发展和应用,电机效率的提高和 制造成本 的降低,交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。
1990年以前,由于技术、成本等原因,国内 伺服电机 以直流无槽、直流永磁 有刷电机 步进电机 为主,而且主要集中在机床和国防 军工行业 。1990年以后,进口永磁 交流伺服电机 系统逐步进入中国,此期间得益于 稀土永磁材料 的发展、 电力电子 及微电子技术日新月异的进步,交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的 驱动装置 采用了先进全数字式驱动 控制技术 ,硬件结构简单,参数调整方便,产品生产的一致性可靠性增加,同时可集成复杂的电机 控制算法 和智能化控制功能,如 增益 自动调整、网络通讯功能等,大大拓展了交流伺服电机的适用领域;另外随着各行业,如机床、 印刷设备 包装设备 、纺织设备、 激光加工 设备、机器人、 自动化生产线 等,对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高,这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长,交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。
正弦波 交流伺服系统 综合了 伺服电动机 角速度 角位移传感器 的最新成就,与采用新型 电力电子器件 专用集成电路 和专用控制算法的交流 伺服驱动器 相匹配,组成新型高性能 机电一体化 产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机,成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及 核工业 等领域,如 自行火炮 、卫星 姿态控制 、雷达驱动、机载 吊舱 定位系统 、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。
3.3 伺服电机 的应用
松下 交流伺服电机 (AC Servo) A4系列
1. 快速使用
电机运转必须的三根电缆: 动力电缆 ;电机 动力线 ,电机 编码器 线。
控制线接口X5:
伺服 使能 必须接的引脚:DC24V电源(7,41) 伺服使能SRV-ON(29)
控制信号 位置控制 -----(脉冲方向输入3,4,5,6)
速度控制 -----( 模拟量输入 14,15 0到±10V)
扭矩控制------(模拟量输入 14,15)
其他辅助控制功能:
10点输入:①伺服使能②模式选择③增益切换④报警清除。
6点输出:①报警(ALM)②准备(S-RDY)③ 制动器 释放(BRK-OFF)④零速检测(ZSP)⑤ 转矩 控制TLC。⑥定位完成或者速度到达
它比步进系统就多了一个编码器反馈,构成了一个 闭环系统 ,当然这个 闭环 仅仅是相对而言。伺服系统逐渐取代了步进系统,所以大家会逐渐熟悉。
三相 交流伺服电动机 应用广泛,但通过长期运行后,会发生各种故障,及时判断 伺服电机 故障原因 ,进行相应处理,是防止故障扩大,保证设备正常运行的一项重要的工作。
一、通电后电动机不能转动,但无 异响 ,也无异味和冒烟。
1.故障原因①电源未通(至少两相未通);② 熔丝 熔断(至少两相熔断);③ 过流继电器 调得过小;④ 控制设备 接线错误。
2. 故障排除 ①检查 电源回路 开关,熔丝、接线盒处是否有 断点 ,修复;②检查熔丝型号、熔断原因,换新熔丝;③ 调节继电器 整定值 与电动机配合;④改正接线。
二、通电后电动机不转有嗡嗡声
1.故障原因①转子 绕组 有断路(一相断线)或电源一相失电;②绕组 引出线 始末 端接 错或绕组内部接反;③电源回路接点松动, 接触电阻 大;④电动机负载过大或转子卡住;⑤电源 电压过低 ;⑥小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬;⑦轴承卡住。
2.故障排除①查明断点予以修复;②检查绕组极性;判断绕组末端是否正确;③紧固松动的接线螺丝,用 万用表 判断各接头是否假接,予以修复;④减载或查出并消除 机械故障 ,⑤检查是否把规定的面接法误接;是否由于电源导线过细使压降过大,予以纠正,⑥重新装配使之灵活;更换合格油
脂;⑦修复轴承。
三、电动机起动困难, 额定负载 时, 电动机转速 低于 额定转速 较多
1.故障原因①电源电压过低;②面接法电机误接;③转子开焊或断裂;④转子局部线圈 错接 、接反;③修复电机绕组时增加 匝数 过多;⑤ 电机过载
2.故障排除①测量电源电压,设法改善;②纠正接法;③检查开焊和断点并修复;④查出误接处予以改正;⑤恢复正确匝数;⑥减载。
四、电动机 空载电流 不平衡 ,三相相差大
1.故障原因①绕组首尾端接错;②电源 电压不平衡 ;③绕组存在匝间短路、线圈反接等故障。
2.故障排除①检查并纠正;②测量电源电压,设法消除不平衡;③消除绕组故障。
五、电动机 运行时 响声不正常有异响
1.故障原因①轴承磨损或油内有砂粒等异物;②转子 铁芯 松动;③轴承 缺油 ;④电源电压过高或不平衡。
2.故障排除①更换轴承或清洗轴承;②检修转子铁芯;③加油;④检查并调整电源电压。
六、运行中电动机振动较大
1.故障原因①由于磨损 轴承间隙 过大;②气隙 不均匀 ;③ 转子不平衡 ;④转轴弯曲;⑤ 联轴器 皮带轮 同轴度 过低。
2.故障排除①检修轴承,必要时更换;②调整气隙,使之均匀;③校正 转子动平衡 ;④ 校直 转轴;⑤重新校正,使之符合规定。
七、轴承过热
1.故障原因①滑脂过多或过少;②油质不好含有杂质;③轴承与 轴颈 端盖 配合不当(过松或过紧);④轴承 内孔 偏心,与轴相擦;⑤电动机端盖或轴承盖未装平;⑥电动机与负载间联轴器未校正,或皮带过紧;⑦轴承间隙过大或过小;⑧电动机轴弯曲。
2.故障排除①按规定加润滑脂(容积的1/3-2/3);②更换清洁的润滑滑脂;③过松可用 粘结剂 修复,过紧应车,磨轴颈或端盖内孔,使之适合;④修理轴承盖,消除擦点;⑤重新装配;⑥重新校正,调整皮带张力;⑦更换新轴承;⑧校正电机轴或更换转子。
八、电动机过热甚至冒烟
1.故障原因①电源电压过高;②电源电压过低,电动机又带额定负载运行,电流过大使绕组 发热 ;③修理拆除绕组时,采用热拆法不当, 烧伤 铁芯;④电动机过载或频繁起动;⑤电动机缺相, 两相运行 ;⑥重绕后定于绕组浸漆不充分;⑦ 环境温度 高电动机表面污垢多,或 通风道 堵塞;
2.故障排除①降低电源电压(如调整供电变压器分接头);②提高电源电压或换粗供电导线;③检修铁芯,排除故障;④减载;按规定次数控制起动;⑤恢复三相运行;⑥采用二次浸漆及真空浸漆工艺;⑦清洗电动机,改善环境温度,采用降温措施
从伺服系统的三大部件: 伺服电机 、编码器、驱动器的各自发展来看,交流伺服电机还会是主流。电机本身将向高性能、高 功率密度 的方向发展。在相同 功率输出 的条件下,电机本身的体积将会越来越小。如1.5KW以下的小功率AC伺服电机的体积现已只有原先传统的三相 感应电机 的1/10左右。这主要得益于电机制造技术本身的不断提高。如:高性能的 磁性材料 的采用,定子 分割法 工艺的 集中绕组 高密度 绕线的采用,定子 叠片 的粘结工艺的采用。 磁路 的不断 优化设计 和热解析技术的应用使得电机的 冷却性能 也得到了不断提高。
与此同时,由于各种行业的特殊需求, 伺服电机 也会从通用的FA行业转向差异化,定向设计的道路。如免维修、无尘、防爆、无转矩脉动超高或超低额定转速微小型化,电机内部直接装有制动器、 减速机 滚珠丝杠 联轴节 、转矩 温度传感器 ,编码器甚至驱动控制器的 ALL IN ONE一体化的伺服 功能部件
事实上,在传统的FA行业以外,特别是在家电、 汽车电子 、纺织、 航空电子 、机械等行业,各种直流 无刷伺服电机 已经得到了广泛和大量的应用。传统意义上的带换向器的 直流伺服电机 正在被这种 直流无刷 的伺服电机所取代。尤其在微小功率的 应用范围 ,它有无可替代的低成本、小体积、 高可靠性 (通常无需 光电编码器 反馈),可 干电池 供电等优越性。所以其实际使用数量将是非常可观的。
对于反馈的编码器部件来说,其发展主要还在于小型化、低成本、高分辨率、 高可靠性、网络化、高响应、省接线、 绝对值 编码等方向。从结构上来讲,为了 降低成本 ,日系的主流 伺服电机 所用编码器都已从整体式变为分离式。为了提高分离式编码器的可靠性,从安装方式上作了改进,已溶入电机的后轴承 支承座 一体化设计 。由于正弦波 内插 技术的采用,分辨率得到了很大的提高,从早期的210已发展到224—228 /每转。这对于提高伺服电机的低速控制的稳定性 减少低速脉动有很大帮助。但对于提高位置控制的精度没有 直接效果 。当然也有采用类似于 螺距 补偿一样的软件补偿,可以提高单圈的 物理分辨率 ,从而实际提高定位控制的精度。这在分度 转台 机器人控制的使用中,可得到有效作用。也正是由于内插接技术的应用,使得 旋转编码器 也将会在严酷环境中的高精度伺服控制中得到更广泛的应用。已有224/每转分辨率的旋转编码器在伺服电机上的使用情况。编码器 串行通讯 省线制的方式,其 通讯频率 还只能限于10M以下。随着伺服控制的高分辨率、高精度、高响应的要求日益增强,编码器通讯频率的提高也将会是一个主要方向。
最后,对于伺服驱动控制器来说,其发展方向借助于IT 产业技术 的发展,将会有更令人耳目一新的感觉。看一下如今的手机 照相机 等,其 丰富多彩 的各种功能不难想象有很多功能都是可以借鉴和移植到伺服驱动控制器上来的。
已有国内的企业将 WIFI 的无线 通讯技术 用到了伺服控制的参数写入 调整运行的监控等方面。 USB 的通讯技术触摸屏显示控制技术,现已经得到了应用。针对下一代的伺服驱动器的研发,已有不少企业正在考虑采用新一代手机所用的 CPU 实时操作系统 技术。大家都知道的傻瓜照相机技术,利用它外行人也能拍出很漂亮的照片。那么相信下一代的 伺服驱动器 一定也会带有这种一键自 整定 的功能,伺服的应用会变得越来越普及。因为其调整调试非常方便。若客户实在搞不定,就可以通过WIFI 让生产厂家的售后服务人员遥控诊断并解决。
交流伺服电机 的矢量控制技术本身来说已日趋完善普及。从 实时操作系统 的角度来看,它只是需要实时响应处理的一个 功能模块 。由于控制器的多功能、智能化要求,大量的 信号处理 ,适应 控制需要 的各种数学模型的建立与运行,网络通讯等各个功能模块将会在实时操作系统的统一调度和管理下得到正确可靠的运行。
因此,下一代的伺服驱动控制器将会是一个集各种现代控制技术之大成的结晶,而并非是传统意义上的 功率放大器
 
推荐文章