【雷赛智能 | 头条】伺服系统组成、概述与控制原理(三环控制)
2020-10-23新闻
一、伺服系统简述
执行器的功能在于提供被控对象的动力,其构成主要包括伺服电动机和功率放大器,伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等(位置传感器)。
控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等,伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。
反馈装置除了位置传感器,可能还需要电压、电流和速度传感器。
“伺服”——词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具,服从控制信号的要求而动作:在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即转动;当讯号消失,转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能,因此而得名——伺服系统。
二、常用参数
1、伺服电机铭牌参数
法兰尺寸 电机极对数 电机额定输出功率 电源电压规格:单相/三相 电机惯量:分为大、中、小惯量,指的是转子本身的惯量,从响应角度来讲,电机的转子惯量应小为好;从负载角度来看,电机的转自惯量越大越好 电机出轴类型:键槽、扁平轴、光轴、减速机适配… 电机动力线定义:U: RED V:BLACK W: WHITE 额定转速 编码器线数:2500/1250/1000/17B/20B
法兰是轴与轴之间相互连接的零件,用于管端之间的连接。
2、伺服驱动器铭牌参数
额定输出功率 电源电压规格 编码器线数
3、伺服系统的性能指标
检测误差:包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差,传感器本身固有,无法克服; 系统误差:系统类型决定了系统误差。
只要p+q>0,对阶跃输入信号就有足够的跟踪能力;对于速度输入信号,I型系统跟踪能力大幅削弱,跟随误差与开环传递函数的比例系数成反比,II型仍具有优良跟踪能力;对于加速度输入信号,仅II型系统能勉强跟随。
三、伺服电机相关
1、伺服电机的选型
系统精度:需综合考虑转子转动惯量、电动机类型、转矩抖动等 电动机功率:负载方式及大小计算输出力矩 电动转速 选配刹车:刹车用来在电机停止时候锁定位置,不让电机由于外力作用发生运动;并非在运行时刹车。 过载能力
2、伺服电机的反馈装置/电机转一圈所需脉冲数
根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
增量式:每转过单位的角度就发出一个脉冲信号
绝对式:就是对应一圈,每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值,通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量
编码器和电流环没有任何联系,它的采样来自于电机的转动。
可以发现线数有两种,一种类似2500线、1600线等,一种为17位(17B)、20位(20B)等。前者为增量式编码器线数,后者为绝对式编码器线数,17B表示一转所需的脉冲数为2^17即131 072个脉冲。
四、伺服驱动器控制原理
运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环和位置环。
单环控制难以满足伺服系统的动态要求,一般不采用。
3、位置控制(三环控制):伺服中最常用的控制。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(类似步进电机),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(外部模拟量的输入)。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。
位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。
转矩控制:是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制
速度控制:是指驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制
位置控制:是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制
APR——位置调节器;ASR——速度调节器;ACR——电流调节器
5、伺服系统的增益参数
位置比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调; 位置前馈增益:位置环的前馈增益大,控制系统的高速响应特性提高,但会使系统的位置不稳定,容易产生振荡; 速度比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,速度滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调; 速度积分时间常数:设置值越小,积分速度越快。 速度反馈滤波因子:数值越大,截止频率越低,电机产生的噪音越小;数值越小,截止频率越高,速度反馈响应越快。 最大输出转矩设置
五、伺服系统的设计
调节器校正:常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。
六、系统接线及面板设置
此处仅作概述。
面板设置
七、伺服电动机与其它电动机的辨析
1、伺服电动机与普通电动机的区别
普通电动机(有刷)多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。 伺服电动机动态性高 伺服电动机启动转矩大、调速范围宽 伺服电动机结构紧凑 伺服电动机定子散热方便
2、伺服电动机与舵机的区别
伺服电机都是三环控制,即电流环、速度环、位置环;舵机只检测位置环(一般用电位器)。
3、伺服电动机与步进电动机的区别
步进电机多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。(使用步进电机的场合,要么不需要位置反馈,要么在其他设备上进行位置反馈) 伺服电机控制精度和定位高于步进电机 伺服电机低频特性好,过载能力大,响应时间短 伺服电机调速范围大于步进电动机 步进电机只能接受脉冲信号,而伺服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号
伺服电机和步进电机常被搞混,二者外形相似,区别点在于伺服电机尾部的反馈装置;此外步进电机一般都是一个引出线端,伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端(编码线和动力线)。