伺服驱动器原理应用及选型

2018-02-07 16:52:50编辑:王磊 关键字:伺服驱动器

伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制,实现高精度的传动系统定位,目前是传动技术的高端产品。


伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分,被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否,对于整个伺服控制系统,特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。


在伺服驱动器速度闭环中,电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡,一般采用增量式光电编码器作为测速传感器,与其对应的常用测速方法为M/T测速法。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围,但这种方法有其固有的缺陷,主要包括:


1)测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲,限制了最低可测转速;


2)用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步,在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能。

  


伺服驱动器原理


伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化;功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入了软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。


  

  伺服驱动器工作原理图


首先功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程,整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服驱动器一般都有三种控制方式:位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。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。


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,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手里有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如绕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。


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。


伺服驱动器应用


伺服驱动器广泛应用于注塑机领域、纺织机械、包装机械、数控机床领域等。


  


伺服驱动器选型


1、选择一款合适的伺服驱动器需要考虑到各个方面,这主要根据系统的要求来选择,在选型之前,首先分析以下系统需求,比如尺寸、供电、功率、控制方式等,为选型定下方向。

  


2、驱动器支持的电机类型,一般为直流有刷、正弦波、梯形波等,还有就是驱动器的持续输出电流要大于电机的额定电流,根据电机反电动势、最大转速考虑驱动器是否可以胜任。

  


3、反馈元件,反馈传感器也是种类繁多,根据是否要做闭环,选择反馈传感器,编码器、测速电机、旋变等。如果系统中带有反馈元件,这时候在选择驱动器时就要考虑驱动器是否支持这种反馈,反馈种类,或者是反馈的信号输出形式。


  


4、伺服驱动器有三种控制方式:力矩、速度、位置模式。工作在这几种模式下命令形式也不一样,力矩和速度模式可通过模拟量命令控制,位置模式可使用脉冲+方向控制。当然还有总线形式,比如Ethercat等。


  


5、精度要求,系统的精度有多个影响因素,伺服驱动器也是其中重要的一环,一般伺服驱动器分为数字伺服驱动器和线性伺服放大器,线性放大器适用于低噪声、高带宽以及电流过零时无失真的场合。

  

6、供电和使用环境,供电方面主要是直流和交流供电,有时候还要考虑驱动器对供电电源的要求。使用环境,主要是考虑温度方面的影响,还有就是工况,是否需要防护罩等。

  

关键字:伺服驱动器

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