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工业机器人伺服结构原理和控制方式解析

分类:
常见问题
2019/08/01 15:56

伺服的结构是怎样的?一个最简易的伺服控制单元,就是一个伺服电机加伺服控制器,今天就来解析下伺服电机与伺服控制器。

 

电机动作的原理

右手螺旋法则(安培定则)——通电生

安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则:用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向就是磁感线的环绕方向;通电螺线管中的安培定则:用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

 

弗来明左手法则——磁生力

确定载流导线在外磁场中受力方向的定则又称电动机定则。左手平展,大拇指与其余4指垂直,手心冲着N级,4指为电流方向,大拇指为载流导线在外磁场中受力方向。

DC伺服马达结构

 

伺服控制单元

※ SERVO 语源自拉丁语,原意为“奴隶”的意思,指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置,扭矩,速度或加速度的控制,是自动控制系统中的执行单元,是把上位控制器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

 

1. 控制器:动作指令信号的输出装置。

2. 驱动器:接收控制指令,并驱动马达的装置。

3. 伺服马达:驱动控制对象、并检出状态的装置。

 

伺服马达的种类

伺服马达的种类,大致可分成以下三种:

1. 同步型:采用永磁式同步马达,停电时发电效应,因此刹车容易, 但因制程材料上的问题,马达容量受限制。〔回转子:永久磁铁;固定子:线圈〕

2. 感应型:感应形马达与泛用马达构造相似,构造坚固、高速时转矩表现良好,但马达较易发热,容量(7.5KW以上)大多为此形式。回转子、固定子皆为线圈〕

3. 直流型:直流伺服马达,有碳刷运转磨耗所产生粉尘的问题,于无尘要求的场所就不宜使用,以小容量为主。〔回转子:线圈;固定子:永久磁铁;整流子:磁刷〕

 

SM 同 步 形 伺 服 马 达

特长优点:1. 免维护。2. 耐环境性佳。3. 转矩特性佳,定转矩。4. 停电时可发电剎车。5. 尺寸小、重量轻。6. 高效率。

※ 缺点1. AMP较DC形构造复杂。2. MOTOR及AMP必需1:1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。

 

IM 感 应 形 伺 服 马 达

 特长优点:1. 维护容易。2. 耐环境性佳。3. 高速时,转矩特性佳。4. 可制做大容量,效率佳。5. 构造坚固。

※ 缺点1. 小容量机种,效率差。2. AMP较DC形构造复杂。3. 停电时,无法动态剎车。4. 随温度变动影响特性。5. AMP与MOTOR必需1:1使用。

 

 

DC 直 流 形 伺 服 马 达

※ 特长优点1. 伺服驱动器构造简单。2. 停电时可发电剎车。3. 体积小、价格低。4. 效率佳。

※ 缺点:1. 整流子外围需定期保养。2. 碳刷磨耗产生(碳粉),无法应用于要求凊絜的场所。3. 因整流器碳刷的问题,高速时转矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

 

伺服的控制原理

伺服系统的最大特色透过回馈信号的控制方式〔可做指令值与目标值的比较,因而大幅减少误差状况〕。

何谓回馈信号:向控制对象下达指令后,正确的追踪并查明现在值,且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后,回馈位置值,如此反复动作。

控制流程:检测机械本体之位置检出,回路为封闭系统,称之为全闭回路 。相反,检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。

伺服驱动器的内部构成

整流部:通过整流部,将交流电源变为直流电源,经电容滤波,产生平稳无脉动的直流电源。

逆变部:由控制部过来的SPWM信号,驱动IGBT,将直流电源变为SPWM波形,以驱动伺服电机。

控制部分:伺服单元采用全数字化结构,通过高性能的硬件支持,实现闭环控制的软件化,现在所有的伺服已采用(DSP数字信号处理)芯片,DSP,能够执行位置、速度、转矩和电流控制器的功能。给出PWM信号控制信号作用于功率驱动单元,并能够接收处理位置与电流反馈,具有通讯接口。

编码器:伺服电机配有高性能的转角测量编码器,可以精确测量转子的位置与电机的转速,逆变器采用新型电力电子半导体器件,目前,伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。这些先进器件的应用显着地降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运行噪声。

尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智能控制功率模块(Intelligent Power Modules,简称IPM)。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容,与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。

 

 

伺服电机一般都有三种控制方式: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,当然是用转矩模式。

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较好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高,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。

 

就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。

 

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。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,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:

 

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对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm: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,大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过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备,转矩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。

 

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定转动速度的大小,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。

 

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反馈以做运算用。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最终。

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