伺服電機的制動方式與原理,伺服電機的控制方法


發布時間:2021-01-08 點擊:3488

伺服電動機又叫執行電動機,或叫控制電動機。在自動控制系統中,伺服電動機是一個執行元件,它的作用是把信號(控制電壓或相位)變換成機械位移,也就是把接收到的電信號變為電機的一定轉速或角位移。其容量一般在 0.1-100W, 常用的是 30W 以下。伺服電動機有直流和交流之分。

伺服電機的制動方式及其原理

  1、電氣制動法:

 ?。?) 動態制動器(又稱能耗制動)由動態制動電阻組成,在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。

 ?。?) 再生制動(又稱回饋制動)是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變回路反饋到直流母線,經阻容回路吸收。

  2、機械制動法

  電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。 用戶往往對電磁制動、再生制動、動態制動的作用混淆,選擇了錯誤的配件。


  動態制動器由動態制動電阻組成,在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。

  動態制動器由動態制動電阻組成,在故障,急停,電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給

  一般都是在伺服電機的U V W相上引出三根線上面分別串上一個制動電阻,這三個電阻接到一個繼電器上 ,在伺服電機正常工作時這個繼電器是吸合的三個相線不短接 當伺服電機要制動時 繼電器就斷電釋放三個相線接到一起了就開始制動了。

  再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變回路反饋到直流母線。經阻容回路吸收。

  電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。

  三者的區別:

 ?。?)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用,在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態制動器和電磁制動工作時不需電源。

 ?。?)再生制動的工作是系統自動進行,而動態制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。

 ?。?)電磁制動一般在SV OFF后啟動,否則可能造成放大器過載。動態制動器一般在SV OFF或主回路斷電后啟動,否則可能造成動態制動電阻過熱。

  選擇配件的注意事項:

 ?。?) 有些系統如傳送裝置,升降裝置等要求伺服電機能盡快停車。而在故障、急停、電源斷電時伺服器沒有再生制動無法對電機減速。同時系統的機械慣量又較大,這時需選用動態制動器動態制動器的選擇要依據負載的輕重,電機的工作速度等。

 ?。?) 有些系統要維持機械裝置的靜止位置需電機提供較大的輸出轉矩且停止的時間較長,如果使用伺服的自鎖功能往往會造成電機過熱或放大器過載。這種情況就要選擇帶電磁制動的電機。

 ?。?) 三菱的伺服器都有內置的再生制動單元,但當再生制動較頻繁時可能引起直流母線電壓過高,這時需另配再生制動電阻。再生制動電阻是否需要另配,配多大的再生制動電阻可參照樣本的使用說明。需要注意的是樣本列表上的制動次數是電機在空載時的數據。實際選型中要先根據系統的負載慣量和樣本上的電機慣量,算出慣量比。再以樣本列表上的制動次數除以(慣量比+1)。這樣得到的數據才是允許的制動次數。

伺服電機的控制方法

  伺服電機是一種補助馬達加速的設備,伺服機電控制速度、位置非常準確。伺服機電就是閉環控制器控制的電機,比普通電機多個編碼器反饋,能夠根據給定和反饋來計算輸出目標值,控制電機的運動速度及位移的機械。通常伺服機電的控制方法有:

  伺服電機一般為三個環控制,所謂三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。最內的PID環就是電流環,此環完全在伺服驅動器內部進行,通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流,負反饋給電流的設定進行PID調節,從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流,電流環就是控制電機轉矩的,所以在轉矩模式下驅動器的運算最小,動態響應最快。

  第2環是速度環,通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節,它的環內PID輸出直接就是電流環的設定,所以速度環控制時就包含了速度環和電流環,換句話說任何模式都必須使用電流環,電流環是控制的根本,在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流(轉矩)的控制以達到對速度和位置的相應控制。

  第3環是位置環,它是最外環,可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建,要根據實際情況來定。由于位置控制環內部輸出就是速度環的設定,位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算,此時的系統運算量最大,動態響應速度也最慢。

  1.轉矩控制:轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小,具體表現為例如10V對應5Nm的話,當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉,外部負載等于2.5Nm時電機不轉,大于2.5Nm時電機反轉(通常在有重力負載情況下產生)??梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

  2、速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制,在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了,這樣的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加整個系統的定位精度。

  3、位置控制:位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小,通過脈沖的個數來確定轉動的角度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制,所以一般應用于定位裝置。

  運動伺服一般都是三環控制系統,從內到外依次是電流環速度環位置環。

  1、首先電流環:電流環的輸入是速度環PID調節后的那個輸出,我們稱為“電流環給定”吧,然后呢就是電流環的這個給定和“電流環的反饋”值進行比較后的差值在電流環內做PID調節輸出給電機,“電流環的輸出”就是電機的每相的相電流,“電流環的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅動器內部安裝在每相的霍爾元件(磁場感應變為電流電壓信號)反饋給電流環的。

  2、速度環:速度環的輸入就是位置環PID調節后的輸出以及位置設定的前饋值,我們稱為“速度設定”,這個“速度設定”和“速度環反饋”值進行比較后的差值在速度環做PID調節(主要是比例增益和積分處理)后輸出就是上面講到的“電流環的給定”。速度環的反饋來自于編碼器的反饋后的值經過“速度運算器”得到的。

  3、位置環:位置環的輸入就是外部的脈沖(通常情況下,直接寫數據到驅動器地址的伺服例外),外部的脈沖經過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環的設定”,設定和來自編碼器反饋的脈沖信號經過偏差計數器的計算后的數值在經過位置環的PID調節(比例增益調節,無積分微分環節)后輸出和位置給定的前饋信號的合值就構成了上面講的速度環的給定。位置環的反饋也來自于編碼器。

  編碼器安裝于伺服電機尾部,它和電流環沒有任何聯系,他采樣來自于電機的轉動而不是電機電流,和電流環的輸入、輸出、反饋沒有任何聯系。而電流環是在驅動器內部形成的,即使沒有電機,只要在每相上安裝模擬負載(例如電燈泡)電流環就能形成反饋工作。

  談談PID各自對差值調節對系統的影響:

  1、單獨的P(比例)就是將差值進行成比例的運算,它的顯著特點就是有差調節,有差的意義就是調節過程結束后,被調量不可能與設定值準確相等,它們之間一定有殘差,殘差具體值您可以通過比例關系計算出。。。增加比例將會有效減小殘差并增加系統響應,但容易導致系統激烈震蕩甚至不穩定。

  2、單獨的I(積分)就是使調節器的輸出信號的變化速度與差值信號成正比,大家不難理解,如果差值大,則積分環節的變化速度大,這個環節的正比常數的比例倒數我們在伺服系統里通常叫它為積分時間常數,積分時間常數越小意味著系統的變化速度越快,所以同樣如果增大積分速度(也就是減小積分時間常數)將會降低控制系統的穩定程度,直到最后出現發散的震蕩過程,這個環節最大的好處就是被調量最后是沒有殘差的。

  3、PI(比例積分)就是綜合P和I的優點,利用P調節快速抵消干擾的影響,同時利用I調節消除殘差。

  4、單獨的D(微分)就是根據差值的方向和大小進行調節的,調節器的輸出與差值對于時間的導數成正比,微分環節只能起到輔助的調節作用,它可以與其他調節結合成PD和PID調節。。。它的好處是可以根據被調節量(差值)的變化速度來進行調節,而不要等到出現了很大的偏差后才開始動作,其實就是賦予了調節器以某種程度上的預見性,可以增加系統對微小變化的響應特性。

  伺服的電流環的PID常數一般都是在驅動器內部設定好的,操作使用者不需要更改。

  速度環主要進行PI(比例和積分),比例就是增益,所以我們要對速度增益和速度積分時間常數進行合適的調節才能達到理想效果。

  位置環主要進行P(比例)調節。。。對此我們只要設定位置環的比例增益就好了。

  位置環、速度環的參數調節沒有什么固定的數值,要根據外部負載的機械傳動連接方式、負載的運動方式、負載慣量、對速度、加速度要求以及電機本身的轉子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定,調節的簡單方法是在根據外部負載的情況進行大體經驗的范圍內將增益參數從小往大調,積分時間常數從大往小調,以不出現震動超調的穩態值為最佳值進行設定。

  當進行位置模式需要調節位置環時,最好先調節速度環(此時位置環的比例增益設定在經驗值的最小值),調節速度環穩定后,在調節位置環增益,適量逐步增加,位置環的響應最好比速度環慢一點,不然也容易出現速度震蕩。

  一般伺服都有三種控制方式:速度控制方式,轉矩控制方式,位置控制方式 。

  1、轉矩控制:轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小,具體表現為例如10V對應5Nm的話,當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉,外部負載等于2.5Nm時電機不轉,大于2.5Nm時電機反轉(通常在有重力負載情況下產生)??梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

  2、位置控制:位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小,通過脈沖的個數來確定轉動的角度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制,所以一般應用于定位裝置。

  3、速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制,在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了,這樣的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加整個系統的定位精度。

  4、談談3環,伺服電機一般為三個環控制,所謂三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。最內的PID環就是電流環,此環完全在伺服驅動器內部進行,通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流,負反饋給電流的設定進行PID調節,從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流,電流環就是控制電機轉矩的,所以在轉矩模式下驅動器的運算最小,動態響應最快。

  第2環是速度環,通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節,它的環內PID輸出直接就是電流環的設定,所以速度環控制時就包含了速度環和電流環,換句話說任何模式都必須使用電流環,電流環是控制的根本,在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流(轉矩)的控制以達到對速度和位置的相應控制。

  第3環是位置環,它是最外環,可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建,要根據實際情況來定。由于位置控制環內部輸出就是速度環的設定,位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算,此時的系統運算量最大,動態響應速度也最慢。


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