伺服電機(jī)原理與安裝

 

 

 

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，伺服控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，伺服運(yùn)動(dòng)與控制技術(shù)也在不斷走向成熟，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)作為一種高性能的測試方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，人們對伺服性能的要求也在不斷提高。

 

一 伺服電機(jī)原理 

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。

         

伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了閉環(huán)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

 

在性能上比較，交流伺服電機(jī)要優(yōu)于直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)采用正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，容量可以比較大。直流伺服電機(jī)采用梯形波控制，相對差一些。直流伺服電機(jī)中無刷伺服電機(jī)比有刷伺服電機(jī)要性能要好。 

 

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，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(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。無論是 有刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還是無刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器同樣都是采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

 

1、首先是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。

 

2、第二環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的伺服電機(jī)編碼器的信號(hào)來進(jìn)行負(fù)反饋 PID 調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi) PID 輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包合了速皮環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何棋式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的跟本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。

 

3、第三環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可認(rèn)在驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有 3 個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

 

   a有刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)機(jī)的工作原理和普通的直流電機(jī)完全相同，驅(qū)動(dòng)器為三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)的輸出控制電機(jī)的電樞電壓，電流環(huán)的輸入為速度環(huán)PID的輸出，速度環(huán)的輸入為位置環(huán)的PID輸出，位置環(huán)的輸入即是給定輸入，控制原理圖如上圖。 

 

 

   b無刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：供電電源為直流，經(jīng)過內(nèi)部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電，供給電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器同樣采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），驅(qū)動(dòng)控制原理同上。

 

 

   c交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊，控制板通過相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。 

 

 

  功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)，簡單的說是AC-DC-AC的變流過程。 

 

 

1、速度環(huán)主要進(jìn)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(shí)間常數(shù)進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)才能達(dá)到理想效果。

 

2、位置環(huán)主要進(jìn)行P（比例）調(diào)節(jié)。對此我們只要設(shè)定位置環(huán)的比例增益就好了。當(dāng)進(jìn)行位置模式需要調(diào)節(jié)位置環(huán)時(shí)，最好先調(diào)節(jié)速度環(huán)，位置環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)沒有什么固定的數(shù)值，要根據(jù)外部負(fù)載的機(jī)械傳動(dòng)連接方式、負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方式、負(fù)載慣量、對速度、加速度要求以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定，調(diào)節(jié)的簡單方法是在根據(jù)外部負(fù)載的情況進(jìn)行大體經(jīng)驗(yàn)的范圍內(nèi)將增益參數(shù)從小往大調(diào)，積分時(shí)間常數(shù)從大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動(dòng)超調(diào)的穩(wěn)態(tài)值為最佳值進(jìn)行設(shè)定。

 

 

90LB伺服電機(jī)