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交流伺服驱动器与伺服电机的问答
发布时间:2019-03-14
关于伺服的应用
 
有很多方面,连一个小小的电磁调压阀,也可以算上一个伺服系统。其他伺服应用如火炮或雷达,用作随动,要求实时性好,动态响应快,超调小,精度在其次。如果是机床,则经常用作恒速,位置高精度,实时性要求不高。
    首先得确定你应用在什么场合。如果用在机床上,则控制部分硬件可以设计得相对简单一些,成本也相应低些。如果用于军工,则内部固件设计时控制算法应该更灵活,比如提供位置环滤波、速度环滤波、非线性、最优化或智能化算法。当然不需要在一个硬件部分上实现。可以面向对象做成几种类型的产品。
交流伺服在加工中心、自动车床、电动注塑机、机械手、印刷机、包装机、弹簧机、三坐标测量仪、电火花加工机等等方面的设备有广阔的应用。  
 
关于步进电机和交流伺服电机的性能有较大差别。
 
步进电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。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,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。如:1、制精度不同;2、低频特性不同 3、矩频特性不同 4、过载能力不同 5、运行性能不同 6、速度响应性能不同。
交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。
 
有关伺服零点开关的问题。
 
找零的方法有很多种,可根据所要求的精度及实际要求来选择。可以伺服电机自身完成(有些品牌伺服电机有完整的回原点功能),也可通过上位机配合伺服完成,但回原点的原理基本上常见的有以下几种。
一、伺服电机寻找原点时,当碰到原点开关时,马上减速停止,以此点为原点。
二、回原点时直接寻找编码器的Z相信号,当有Z相信号时,马上减速停止。这种回原方法一般只应用在旋转轴,且回原速度不高,精度也不高。
   
同步带的安装对伺服定位也有很大影响吗?
 
这个情况,得知道伺服是不是调得很软?常见伺服是用脉冲控制的,那么,位置环的比例增益,速度环比例增益、积分时间常数分别是多少?
位置环比例增益:21rad/s
速度环比例增益:105rad/s
速度环积分时间常数:84ms
 
关于伺服的三种控制方式
 
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 。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的?
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负载端的检测装置来提供了,这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差,增加了整个系统的定位精度。
   
怎样判断伺服电机与伺服驱动器的故障区别?
看驱动器上的错误、报警号,然后查手册。如果连报警都没有了,那自然就是驱动器故障,当然,还有可能是根本伺服就没有故障,而是控制信号错误导致伺服没有动作。
除了看驱动器上的错误、报警号,然后查手册外,有时最直接判断方法是更换,如X与Z轴伺服换(型号相同才可以)。或修改参数,如把X轴锁住,不让系统检测X轴
但应注意:X轴与Z轴互换,即使型号相同,进口设备也可能因为负载不同、参数不同而产生问题。当然,如果是国产设备,通常不会针对使用情况调整伺服参数,一般不会有问题。但应注意X轴与Z轴电机功率转矩是否相同、电机丝杆是否直联以及电子齿轮减速比方面事宜。
 
关于交流伺服电机的几个问题:
问(A):交流同步伺服、交流异步伺服的额定转速与极数是否有关?n1=60f/2p?额定转速以下输出恒转矩,额定转速以上恒功率,那么额定转速的界定是由电机本身的机械决定还是驱动器来决定?
有关,同步转速n1=60f/2p,异步机还有滑差s,n=(1-s)n1,同步机n=n1,2p为极对数。控制中弱磁速度的界定是由驱动器判断的。
额定转速可以由几个方面决定:同步伺服的反电势高低、电机铁心材料允许的驱动电流交变频率、额定转矩下电机的最大功率、最高温升等,最主要还是反电势;异步电机主要受材料允许的最高频率以及极对数限制。
额定转速的界定由电机本身的机械和电器特性来决定。
问(B):交、直流伺服的区分是否取决于驱动器与电机间的电流或电压的形式?但直流无刷伺服的电流方向也变化?是否可以理解为交流?交流伺服是否是以直流无刷伺服的原理为基础演变的?
  答:交流伺服通常指以正弦波驱动方式的伺服,无刷驱动相当于整流子数为6(7)的有刷直流电机的控制精度,一般低速特性较差。商业上也有称他为交流伺服,仅因为他甩掉了电刷,但特性恐怕比好的交流伺服、直流伺服有差距,10000倍的调速比无刷电机绝难达到。
直流无刷马达其实是自控式永磁同步马达的一种,不过是矩形波供电,而通常说的永磁同步马达是正弦波供电的。之所以说是“直流电机”,主要考虑到无刷马达的控制器相当于直流有刷马达的电刷和换向器,实现“电子换向”,从直流母线侧看相当于直流电机。
直流伺服用于直流电机,不是直流无刷电机;直流无刷电机与交流伺服电机其实是一回事,就是交流同步电机(交流永磁同步伺服电机)。
问(C):电机的极对数?
    答:n1=60*f/2p
        p一般表示电机的极对数数,2p是极数。
1对极包括N极和S极,极数当然是极对数的两倍。
 
同步电机机械转速=60*运行频率/极对数;
异步电机机械转速=60*运行频率*(1-滑差率)/极对数