基本信息

中文名稱

伺服驅動器

 

外文名稱

servo drives

 

 

別    名

伺服控制器、伺服放大器

 

實    質

控制伺服電機的一種控制器

 

目錄

1工作原理

2基本要求

3控制方式

4相關參數

5應用領域

工作原理

 

 

處理器

目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動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行整流，得到相應的直流電。經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動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

 

研究

隨著伺服系統的大規模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。

 

基本要求

伺服進給系統的要求

 

1、調速范圍寬

 

2、定位精度高

 

3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性

 

4、快速響應，無超調

 

為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，

 

還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

 

5、低速大轉矩，過載能力強

 

一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。

 

6、可靠性高

 

要求數控機床的進給驅動系統可靠性高、工作穩定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力。

 

對電機的要求

 

1、從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。

 

2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。

 

3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。

 

4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。

 

控制方式

數控機床中伺服驅動器控制按其結構可分成開環控制和閉環（半閉環）控制。如果詳細分類，開環控制又可分為普通型和反饋補償型，閉環（半閉環）控制也可分為普通型和反饋補償型。[1]

 

反饋補償型開環控制

開環系統的精度較低，這是由于伺服驅動器的步距誤差、起停誤差、機械系統的誤差都會直接影響到定位精度。應采用補償型進行改進，這種系統且有開環與閉環兩者的優點，即具有開環的穩定性和閉環的精確性。不會因為機床的諧振頻率、爬行、失動等引起系統振蕩。反饋補償型開環控制不需要間隙補償和螺距補償。

 

閉環控制

由于開環控制的精度不能很好地滿足機床的要求，為了提高伺服驅動器的控制精度，最根本的辦法是采用閉環控制方式。即不但有前身控制通道，而且有檢測輸出的反饋通道，指令信號與反饋信號比較后得到偏差信號，形成以偏差控制的閉環控制系統。

 

半閉環控制

對于閉環控制系統，合理的設計可以得到可靠的穩定性和很高的精度，但是直接測量工作臺的位置信號需要用如光柵、有磁尺或直線感應同步器等安裝、維護要求較高的位置檢測裝置。通過對傳動軸或絲杠角位移的測量，可間接地獲得位置輸出量的等效反饋信號。由于這部分傳動引起的誤差不能被閉環系統中不包含從旋轉軸到工作臺之間的傳動鏈，因此這部分傳動引起的誤差不能被閉環系統自動補償，所以稱這種由等效反饋信號構成的閉環控制系統為半閉環伺服驅動器，這種控制方式稱為半閉環控制方式。

 

反饋補償型的半閉環控制

這種伺服驅動器控制補償原理與開環補償系統相同，由旋轉變壓器和感應同步器組成的兩套獨立的測量系統均以鑒幅方式工作。該系統的缺點是成本高，要用兩套檢測系統，優點是比全閉環系統調整容易，穩定性好，適合用做高精度大型數控機床的進給驅動。

 

相關參數

在自動化設備中，經常用到伺服電機，特別是位置控制，

 

大部分品牌的伺服電機都有位置控制功能，通過控制器發出脈沖來控制伺服電機運行，

 

脈沖數對應轉的角度，脈沖頻率對應速度（與電子齒輪設定有關），

 

當一個新的系統，參數不能工作時，首先設定位置增益，確保電機無噪音情況下，盡量設大些，

 

轉動慣量比也非常重要，可通過自學習設定的數來參考，

 

然后設定速度增益和速度積分時間，確保在低速運行時連續，位置精度受控即可。[2]

 

位置比例增益

設定位置環調節器的比例增益。設置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數值太大可能會引起振蕩或超調。參數數值由具體的伺服系統型號和負載情況確定。

 

位置前饋增益

設定位置環的前饋增益。設定值越大時，表示在任何頻率的指令脈沖下，位置滯后量越小位置環的前饋增益大，控制系統的高速響應特性提高，但會使系統的位置不穩定，容易產生振蕩。不需要很高的響應特性時，本參數通常設為0表示范圍：0~100%

 

速度比例增益

設定速度調節器的比例增益。設置值越大，增益越高，剛度越大。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載值情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大。在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較大的值。

 

速度積分時間常數

設定速度調節器的積分時間常數。設置值越小，積分速度越快。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大。在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較小的值。

 

速度反饋濾波因子

設定速度反饋低通濾波器特性。數值越大，截止頻率越低，電機產生的噪音越小。如果負載慣量很大，可以適當減小設定值。數值太大，造成響應變慢，可能會引起振蕩。數值越小，截止頻率越高，速度反饋響應越快。如果需要較高的速度響應，可以適當減小設定值。

 

***輸出轉矩設置

設置伺服驅動器的內部轉矩限制值。設置值是額定轉矩的百分比，任何時候，這個限制都有效定位完成范圍設定位置控制方式下定位完成脈沖范圍。本參數提供了位置控制方式下驅動器判斷是否完成定位的依據，當位置偏差計數器內的剩余脈沖數小于或等于本參數設定值時，驅動器認為定位已完成，到位開關信號為 ON，否則為OFF。

 

在位置控制方式時，輸出位置定位完成信號，加減速時間常數設置值是表示電機從0~2000r/min的加速時間或從2000~0r/min的減速時間。加減速特性是線性的到達速度范圍設置到達速度在非位置控制方式下，如果伺服電機速度超過本設定值，則速度到達開關信號為ON，否則為 OFF。在位置控制方式下，不用此參數。與旋轉方向無關。

 

手動調整增益參數

調整速度比例增益KVP值。當伺服系統安裝完后，必須調整參數，使系統穩定旋轉。首先調整速度比例增益KVP值．調整之前必須把積分增益KVI及微分增益KVD調整至零，然后將KVP值漸漸加大；同時觀察伺服電機停止時足否產生振蕩，并且以手動方式調整KVP參數，觀察旋轉速度是否明顯忽快忽慢．KVP值加大到產生以上現象時，必須將KVP值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩定。此時的KVP值即初步確定的參數值。如有必要，經KⅥ和KVD調整后，可再作反復修正以達到理想值。

 

調整積分增益KⅥ值。將積分增益KVI值漸漸加大，使積分效應漸漸產生。由前述對積分控制的介紹可看出，KVP值配合積分效應增加到臨界值后將產生振蕩而不穩定，如同KVP值一樣，將KVI值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩定。此時的KVI值即初步確定的參數值。

 

調整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋轉平穩，降低超調量。因此，將KVD值漸漸加大可改善速度穩定性。    

 

調整位置比例增益KPP值。如果KPP值調整過大，伺服電機定位時將發生電機定位超調量過大，造成不穩定現象。此時，必須調小KPP值，降低超調量及避開不穩定區；但也不能調整太小，使定位效率降低。因此，調整時應小心配合。

 

自動調整增益參數

現代伺服驅動器均已微計算機化，大部分提供自動增益調整( autotuning)的功能，可應付多數負載狀況。在參數調整時，可先使用自動參數調整功能，必要時再手動調整。

 

事實上，自動增益調整也有選項設置，一般將控制響應分為幾個等級，如高響應、中響應、低響應，用戶可依據實際需求進行設置。

 

位置比例增益

 

1、設定位置環調節器的比例增益；

 

2、設置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數值太大可能會引起振蕩或超調；

 

3、參數數值由具體的伺服系統型號和負載情況確定。

 

位置前饋增益

 

1、設定位置環的前饋增益；

 

2、設定值越大時，表示在任何頻率的指令脈沖下，位置滯后量越小；

 

3、位置環的前饋增益大，控制系統的高速響應特性提高，但會使系統的位置不穩定，容易產生振蕩；

 

4、不需要很高的響應特性時，本參數通常設為0表示范圍：0~100%。

 

速度比例增益

 

1、設定速度調節器的比例增益；

 

2、設置值越大，增益越高，剛度越大。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載值情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

 

3、在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較大的值。

 

速度積分時間常數

 

1、設定速度調節器的積分時間常數；

 

2、設置值越小，積分速度越快。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

 

3、在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較小的值。

 

速度反饋濾波因子

 

1、設定速度反饋低通濾波器特性；

 

2、數值越大，截止頻率越低，電機產生的噪音越小。如果負載慣量很大，可以適當減小設定值。數值太大，造成響應變慢，可能會引起振蕩；

 

3、數值越小，截止頻率越高，速度反饋響應越快。如果需要較高的速度響應，可以適當減小設定值。

 

***輸出轉矩設置

 

1、設置伺服電機的內部轉矩限制值；

 

2、設置值是額定轉矩的百分比；

 

3、任何時候，這個限制都有效定位完成范圍；

 

4、設定位置控制方式下定位完成脈沖范圍；

 

5、本參數提供了位置控制方式下驅動器判斷是否完成定位的依據，當位置偏差計數器內的剩余脈沖數小于或等于本參數設定值時，驅動器認為定位已完成，到位開關信號為 ON，否則為OFF；

 

6、在位置控制方式時，輸出位置定位完成信號，加減速時間常數；

 

7、設置值是表示電機從0~2000r/min的加速時間或從2000~0r/min的減速時間；

 

8、加減速特性是線性的到達速度范圍；

 

9、設置到達速度；

 

10、在非位置控制方式下，如果電機速度超過本設定值，則速度到達開關信號為ON，否則為OFF；

 

11、在位置控制方式下，不用此參數；

 

12、與旋轉方向無關。

 

應用領域

伺服驅動器廣泛應用于注塑機領域、紡織機械、包裝機械、數控機床領域等。

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