伺服電機(jī)(真空高低溫)、驅(qū)動器、控制器的原理詳解
伺服電機(jī)、驅(qū)動器、控制器的原理詳解
伺服的結(jié)構(gòu)是怎樣的?一個最簡易的伺服控制單元,就是一個伺服電機(jī)加伺服控制器,今天就來解析下伺服電機(jī)與伺服控制器。
電機(jī)動作的原理
右手螺旋法則(安培定則)——通電生磁
安培定則,也叫右手螺旋定則,是表示電流和電流激發(fā)磁場的磁感線方向間關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則:用右手握住通電直導(dǎo)線,讓大拇指指向電流的方向,那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向;通電螺線管中的安培定則:用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。
弗來明左手法則——磁生力
確定載流導(dǎo)線在外磁場中受力方向的定則。又稱電動機(jī)定則。左手平展,大拇指與其余4指垂直,手心沖著N級,4指為電流方向,大拇指為載流導(dǎo)線在外磁場中受力方向。
DC伺服馬達(dá)結(jié)構(gòu)
伺服控制單元
※ SERVO 語源自拉丁語,原意為“奴隸”的意思,指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到一個機(jī)械系統(tǒng)的位置,扭矩,速度或加速度的控制,是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元,是把上位控制器的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。
1. 控制器:動作指令信號的輸出裝置。
2. 驅(qū)動器:接收控制指令,并驅(qū)動馬達(dá)的裝置。
3. 伺服馬達(dá):驅(qū)動控制對象、并檢出狀態(tài)的裝置。
伺服馬達(dá)的種類
伺服馬達(dá)的種類,大致可分成以下三種:
1. 同步型:采用永磁式同步馬達(dá),停電時發(fā)電效應(yīng),因此剎車容易, 但因制程材料上的問題,馬達(dá)容量受限制?!不剞D(zhuǎn)子:永久磁鐵;固定子:線圈〕
2. 感應(yīng)型:感應(yīng)形馬達(dá)與泛用馬達(dá)構(gòu)造相似,構(gòu)造堅(jiān)固、高速時轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)良好,但馬達(dá)較易發(fā)熱,容量(7.5KW以上)大多為此形式。回轉(zhuǎn)子、固定子皆為線圈〕
3. 直流型:直流伺服馬達(dá),有碳刷運(yùn)轉(zhuǎn)磨耗所產(chǎn)生粉塵的問題,于無塵要求的場所就不宜使用,以小容量為主?!不剞D(zhuǎn)子:線圈;固定子:永久磁鐵;整流子:磁刷〕
SM 同 步 形 伺 服 馬 達(dá)
特長優(yōu)點(diǎn):1. 免維護(hù)。2. 耐環(huán)境性佳。3. 轉(zhuǎn)矩特性佳,定轉(zhuǎn)矩。4. 停電時可發(fā)電剎車。5. 尺寸小、重量輕。6. 高效率。
缺點(diǎn):1. AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。2. MOTOR及AMP必需1:1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。
IM 感 應(yīng) 形 伺 服 馬 達(dá)
特長優(yōu)點(diǎn):1. 維護(hù)容易。2. 耐環(huán)境性佳。3. 高速時,轉(zhuǎn)矩特性佳。4. 可制做大容量,效率佳。5. 構(gòu)造堅(jiān)固。
缺點(diǎn):1. 小容量機(jī)種,效率差。2. AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。3. 停電時,無法動態(tài)剎車。4. 隨溫度變動影響特性。5. AMP與MOTOR必需1:1使用。
DC 直 流 形 伺 服 馬 達(dá)
特長優(yōu)點(diǎn):1. 伺服驅(qū)動器構(gòu)造簡單。2. 停電時可發(fā)電剎車。3. 體積小、價(jià)格低。4. 效率佳。
缺點(diǎn):1. 整流子外圍需定期保養(yǎng)。2. 碳刷磨耗產(chǎn)生(碳粉),無法應(yīng)用于要求凊絜的場所。3. 因整流器碳刷的問題,高速時轉(zhuǎn)矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。
伺服的控制原理
伺服系統(tǒng)的蕞大特色:透過回饋信號的控制方式〔可做指令值與目標(biāo)值的比較,因而大幅減少誤差狀況〕。
何謂回饋信號:向控制對象下達(dá)指令后,正確的追蹤并查明現(xiàn)在值,且隨時回饋控制內(nèi)容的偏差值、待目標(biāo)物到達(dá)目的地后,回饋位置值,如此反復(fù)動作。
控制流程:檢測機(jī)械本體之位置檢出,回路為封閉系統(tǒng),稱之為全閉回路 。相反,檢測馬達(dá)軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。
伺服驅(qū)動器的內(nèi)部構(gòu)成
整流部:通過整流部,將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?,?jīng)電容濾波,產(chǎn)生平穩(wěn)無脈動的直流電源。
逆變部:由控制部過來的SPWM信號,驅(qū)動IGBT,將直流電源變?yōu)镾PWM波形,以驅(qū)動伺服電機(jī)。
控制部分:伺服單元采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu),通過高性能的硬件支持,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化,現(xiàn)在所有的伺服已采用(DSP數(shù)字信號處理)芯片,DSP,能夠執(zhí)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制器的功能。給出PWM信號控制信號作用于功率驅(qū)動單元,并能夠接收處理位置與電流反饋,具有通訊接口。
編碼器:伺服電機(jī)配有高性能的轉(zhuǎn)角測量編碼器,可以精確測量轉(zhuǎn)子的位置與電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
目前,伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件,主要有大功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)管 (MOSFET)和絕緣門極晶體管(IGPT)等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,降低了運(yùn)行噪聲。
尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊,稱為智能控制功率模塊(Intelligent Power Modules,簡稱IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容,與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。
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