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伺服與伺服系統(tǒng)
更新時間:2010-08-24   點擊次數(shù):3018次

1.關(guān)于伺服

1.1 名詞
  “伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)手的馴服工具,服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前,轉(zhuǎn)子靜止不動;訊號來到之后,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當(dāng)訊號消失,轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能,因此而得名—伺服系統(tǒng)。

 

1.2 定義

       (1)伺服系統(tǒng)—是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。


  (2)在自動控制系統(tǒng)中,使輸出量能夠以一定的準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng),亦稱伺服系統(tǒng)。

       伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求,對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理,使驅(qū)動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。

1.3 伺服系統(tǒng)的組成
  伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。

1.4伺服系統(tǒng)的性能要求
  伺服系統(tǒng)必須具備可控性好,穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強等基本性能。說明一下,可控性好是指訊號消失以后,能立即自行停轉(zhuǎn);穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降;速應(yīng)性強是指反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。

1.5 伺服系統(tǒng)的種類
  通常根據(jù)伺服驅(qū)動機的種類來分類,有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。

        伺服系統(tǒng)若按功能來分,則有計量伺服和功率伺服系統(tǒng);模擬伺服和功率伺服系統(tǒng);位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。

        電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)二大類。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機伺服系統(tǒng)和同步電機伺服系統(tǒng)兩種。

        這里只討論電氣式伺服系統(tǒng)中的一種—交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)。

 

2. 交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)

2.1 AC伺服系統(tǒng)

  電氣伺服技術(shù)應(yīng)用zui廣,主要原因是控制方便,靈活,容易獲得驅(qū)動能源,沒有公害污染,維護也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展,它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

        早在70年代,小慣量的伺服直流電動機已經(jīng)實用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展,逐步實用化,AC伺服電動機的應(yīng)用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。 永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高,價格不斷下降,控制又比異步電機簡單,容易實現(xiàn)高性能的緣故,所以永磁同步電機的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。

        目前,在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。

        一類稱為無刷直流電動機,它要求將方波電流直入定子繞組(BLDCM)

        另一類稱為三相永磁同步電動機,它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。(PM•SM)

        無刷直流電動機(BLDCM),用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極,將原直流電動機的電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組,而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下,并采用永磁轉(zhuǎn)子,就可以省去機械換向器和電刷,由此得名無刷直流電動機。 BLDCM定子每相感應(yīng)電動勢為梯形波,為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流,而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動勢為近似正弦波,需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。

        永磁同步電機的磁場來自電動機的轉(zhuǎn)子上的*磁鐵,*磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性,目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧,鋁鎳鈷,釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17.

        在轉(zhuǎn)子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形*磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面,即所謂外裝式;另一種是將形成*磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面,即所謂內(nèi)裝式。*磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。

        根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的每相勵磁磁動勢的分布不同,三相永磁同步電動機可分為兩種類型:正弦波型和方波型永磁同步電機,前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀,后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀,根據(jù)子路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同。對于徑向勵磁結(jié)構(gòu),永磁體直接面向均勻氣隙,如果采用系統(tǒng)永磁材料,由于稀土永磁的取向性好,可以方便的獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。對于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵磁結(jié)構(gòu),氣隙磁場波形可以實現(xiàn)正弦分布。

        綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異歸納如下::

        控制原理相似,給定指令信號加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端,電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較,根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運動,直至達(dá)到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。

         兩種永磁無刷電動機比較而言,方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易等優(yōu)點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷,因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續(xù)性而存在電磁脈動,而這種脈動在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生噪聲,在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅(qū)動的主要障礙。轉(zhuǎn)矩脈動又使得電機速度控制特性惡化,從而限制了由其構(gòu)成的方波無刷直流電動機伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動場合下的應(yīng)用(尤其是在低速直接驅(qū)動場合)。因此,對于一般性能的電伺服驅(qū)動控制系統(tǒng),選用方波無刷直流電動機及相應(yīng)的控制方式。而PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流,可以獲得更好的平穩(wěn)性,具有更*的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機床,工業(yè)機器人等高性能高精度的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。

 

3. 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

        伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程,電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動電機類型分為直流(DC)伺服系統(tǒng)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電機類型又可分為永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步(IM型)電動機交流伺服系統(tǒng)。

         由于直流伺服電動機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機永磁材料的發(fā)展和成本降低, 交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)

         1990年以前,由于技術(shù)成本等原因,國內(nèi)伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主,而且主要集中在機床和國防軍工行業(yè)。1990年以后,進口永磁交流伺服電機系統(tǒng)逐步進入中國,此期間得益于稀土永磁材料的發(fā)展、電力電子及微電子技術(shù)日新月異的進步,交流伺服電機的驅(qū)動技術(shù)也很快從模擬式過渡到全數(shù)字式。由于交流伺服電機的驅(qū)動裝置采用了先進全數(shù)字式驅(qū)動控制技術(shù),硬件結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)調(diào)整方便,產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性可靠性增加,同時可集成復(fù)雜的電機控制算法和智能化控制功能,如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通訊功能等,大大拓展了交流伺服電機的適用領(lǐng)域;另外隨著各行業(yè),如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等,對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高,這些領(lǐng)域?qū)涣?strong>伺服電機的需求將迅猛增長,交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。

         正弦波交流伺服系統(tǒng)綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的成就,與采用新型電力電子器件、集成電路和控制算法的交流伺服驅(qū)動器相匹配,組成新型高性能機電一體化產(chǎn)品。使原有的直流伺服系統(tǒng)面臨淘汰的危機,成為當(dāng)今世界伺服驅(qū)動的主流及發(fā)展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空、航天、兵器、船舶、電子及核工業(yè)等領(lǐng)域,如自行火炮、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達(dá)驅(qū)動、機載吊艙定位系統(tǒng)、戰(zhàn)車火控及火力系統(tǒng)、水下滅雷機器人等。

 

4.伺服電機的應(yīng)用

松下交流伺服電機(AC Servo) A4系列

4.1. 快速使用

電機運轉(zhuǎn)必須的三根電纜:動力電纜;電機動力線,電機編碼器線。

控制線接口X5:

伺服使能必須接的引腳:DC24V電源(7,41) 伺服使能SRV-ON(29)

控制信號:位置控制-----(脈沖方向輸入3,4,5,6)

速度控制-----(模擬量輸入14,15 0到±10V)

扭矩控制------(模擬量輸入 14,15)

其他輔助控制功能:

          10點輸入:①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除。。。

          6點輸出: ①報警(ALM)②準(zhǔn)備(S-RDY)③制動器釋放(BRK-OFF)④零速檢測(ZSP)⑤轉(zhuǎn)矩控制TLC。。。⑥定位完成或者速度到達(dá)。

         它比步進系統(tǒng)就多了一個編碼器反饋,構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng),當(dāng)然這個閉環(huán)僅僅是相對而言。伺服系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸取代了步進系統(tǒng),所以大家會逐漸熟悉。 

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