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伺服、步進(jìn)、變頻三大控制系統(tǒng)的工作原理
工業(yè)機(jī)器人周邊運(yùn)動(dòng)控制部分主要有伺服控制、步進(jìn)控制、變頻控制三大部分,下面讓我們來(lái)一一解答這些控制要點(diǎn)。
伺服控制
一、交流伺服電機(jī)的工作原理
伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。
二、伺服系統(tǒng)的組成及分類
組成:
伺服系統(tǒng)是以位置和角度為控制量的控制系統(tǒng)的總稱,與位置和角度相關(guān)聯(lián)的速度、角速度、加速度、力等為控制量的系統(tǒng)也包含在伺服系統(tǒng)內(nèi)。
分類:
1. 按控制結(jié)構(gòu)分類分為: 開(kāi)環(huán)式、閉環(huán)式。
2. 按驅(qū)動(dòng)部件分類分為:
a. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。
b. 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。
c. 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。
三、伺服馬達(dá)(交流)的特點(diǎn)
1. 定位精度高,普通伺服馬達(dá)可達(dá)到0.036度
2. 回應(yīng)時(shí)間快。
3. 控制方便靈活,控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。
4. 型號(hào)較多,可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的類型。
5. 提供全閉環(huán)控制,可適時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀況,進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整變換。
四、伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
五、伺服控制的選型步驟
1. 確定機(jī)械規(guī)格,負(fù)載、剛性等參數(shù)。
2. 確認(rèn)動(dòng)作參數(shù),移動(dòng)速度、行程、加減速時(shí)間、周期、精度等。
3. 選擇馬達(dá)慣量,負(fù)載慣量、馬達(dá)軸心轉(zhuǎn)換慣量、轉(zhuǎn)子慣量。
4. 選擇馬達(dá)回轉(zhuǎn)速度。
5. 選擇馬達(dá)額定扭矩。負(fù)載扭矩、加減速扭矩、瞬間大扭矩、實(shí)效扭矩。
6. 選擇馬達(dá)機(jī)械位置解析度。
7. 根據(jù)以上選擇馬達(dá)型號(hào)。
六、伺服控制的應(yīng)用
步進(jìn)控制
一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。
二、步進(jìn)電機(jī)的分類
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
●永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度 或15度;
●反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,定子上有多相勵(lì)磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
●混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用為廣泛。
三、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)
1. 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)
a. 相數(shù):產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。b.拍數(shù):完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一 個(gè)齒距角所需脈沖數(shù) 。
c. 步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。
d. 定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以 及機(jī)械誤差造成的)。
e. 靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下,電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。
2. 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)
a. 步距角精度:步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。
b. 失步:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
c. 失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 。
d. 大空載起動(dòng)頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下,在不加負(fù)載的情況下,能夠直接起動(dòng)的大頻率。
e. 大空載的運(yùn)行頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式,電壓及額定電流下,電機(jī)不帶負(fù)載的高轉(zhuǎn)速頻率。
f. 運(yùn)行矩頻特性:電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性 。
四、步進(jìn)電機(jī)選型
1. 步距角的選擇:電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求 。
2. 靜力矩的選擇:靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載 ,一般情況下,靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好 。
3. 電流的選擇:由于電流參數(shù)不同,其運(yùn)行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機(jī)的電流。
五、步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)
1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。
2. 步進(jìn)電機(jī)外表允許的高溫度一般在攝氏130度以上 。
3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
4. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于 一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
5. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)。
六. 兩種電機(jī)之性能比較
1. 控制精度不同
五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 ,對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言,其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°,伺服電機(jī)精度要比步進(jìn)馬達(dá)高。
2. 低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。
3. 過(guò)載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力 。
4. 運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制,啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象,交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。
5. 速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200~400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例,從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合
6. 矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降,交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出。
綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以,在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。
變頻控制
一、通用電機(jī)介紹
三相鼠籠式交流電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)中常見(jiàn)的一種,其構(gòu)造及特性如下:
感應(yīng)電機(jī)的構(gòu)造示意圖
電機(jī)的構(gòu)造示意圖
電機(jī)的特性
二、變頻器原理與構(gòu)成
變頻器是能夠簡(jiǎn)單、自由地改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種控制裝置。改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法如下。
變頻器是通過(guò)改變交流電機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速的:
變頻器的構(gòu)成如下:
1. 變流器(整流器)
大量使用的是二極管橋整流器,如圖1 所示,它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器,由于其功率方向可逆,可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。
2. 平波回路
在整流器整流后的直流電壓中,含有電源6 倍頻率的脈動(dòng)電壓,此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng),采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)。裝置容量小時(shí),如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量,可以省去電感,采用簡(jiǎn)單的平波回路。
3. 逆變器
同整流器相反,逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率,以所確定的時(shí)間使6 個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3 相交流輸出。
4. 制動(dòng)回路
異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)(轉(zhuǎn)差率為負(fù)),再生能量存于平波回路電容器中,使直流電壓升高。一般說(shuō)來(lái),由機(jī)械系統(tǒng)(含電動(dòng)機(jī))慣量積累的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大,需要快速制動(dòng)時(shí),可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路(開(kāi)關(guān)和電阻)把再生功率消耗掉,以免直流電路電壓上升。
三、變頻器的應(yīng)用目的及用途
變頻器和交流電機(jī)構(gòu)成的可調(diào)速傳動(dòng)稱為變頻器傳動(dòng),其功能用途如下。其中可能互為關(guān)連,實(shí)際上無(wú)明確分類,此表僅作參考。