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伺服電機與伺服控制器控制原理

發表時間:18-08-21

  一個最簡易的伺服控制單元,就是一個伺服電機加伺服控制器,今天就來解析下伺服電機與伺服控制器。

  伺服控制單元

  ※ SERVO 語源自拉丁語,原意為“奴隸”的意思,指經由閉環控制方式達到一個機械系統的位置,扭矩,速度或加速度的控制,是自動控制系統中的執行單元,是把上位控制器的電信號轉換成電動機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. 驅動器:接收控制指令,并驅動馬達的裝置。

  3. 伺服電機:驅動控制對象、并檢出狀態的裝置。

  伺服電機的種類

  伺服電機的種類,大致可分成以下三種:

  1. 同步型:采用永磁式同步電機,停電時發電效應,因此剎車容易, 但因制程材料上的問題,馬達容量受限制。〔回轉子:永久磁鐵;固定子:線圈〕

  2. 感應型:感應形電機與泛用電機構造相似,構造堅固、高速時轉矩表現良好,但馬達較易發熱,容量(7.5KW以上)大多為此形式。回轉子、固定子皆為線圈〕

  3. 直流型:直流伺服電機,有碳刷運轉磨耗所產生粉塵的問題,于無塵要求的場所就不宜使用,以小容量為主。〔回轉子:線圈;固定子:永久磁鐵;整流子:磁刷〕

  SM 同 步 形 伺 服 電機

  特長優點:1. 免維護。2. 耐環境性佳。3. 轉矩特性佳,定轉矩。4. 停電時可發電剎車。5. 尺寸小、重量輕。6. 高效率。

  缺點:1. AMP較DC形構造復雜。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 形 伺 服 電機

  特長優點:1. 維護容易。2. 耐環境性佳。3. 高速時,轉矩特性佳。4. 可制做大容量,效率佳。5. 構造堅固。

  缺點:1. 小容量機種,效率差。2. AMP較DC形構造復雜。3. 停電時,無法動態剎車。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 電機

  特長優點:1. 伺服驅動器構造簡單。2. 停電時可發電剎車。3. 體積小、價格低。4. 效率佳。

  缺點:1. 整流子外圍需定期保養。2. 碳刷磨耗產生(碳粉),無法應用于要求凊絜的場所。3. 因整流器碳刷的問題,高速時轉矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

  伺服電機的控制原理

  伺服系統的最大特色:透過回饋信號的控制方式〔可做指令值與目標值的比較,因而大幅減少誤差狀況〕。

  何謂回饋信號:向控制對象下達指令后,正確的追蹤并查明現在值,且隨時回饋控制內容的偏差值、待目標物到達目的地后,回饋位置值,如此反復動作。

  控制流程:檢測機械本體之位置檢出,回路為封閉系統,稱之為全閉回路 。相反,檢測馬達軸端之回路系統就稱為半閉回路。

  伺服驅動器的內部構成

  整流部:通過整流部,將交流電源變為直流電源,經電容濾波,產生平穩無脈動的直流電源。

  逆變部:由控制部過來的SPWM信號,驅動IGBT,將直流電源變為SPWM波形,以驅動伺服電機。

  控制部分:伺服單元采用全數字化結構,通過高性能的硬件支持,實現閉環控制的軟件化,現在所有的伺服已采用(DSP數字信號處理)芯片,DSP,能夠執行位置、速度、轉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:伺服電機配有高性能的轉角測量編碼器,可以精確測量轉子的位置與電機的轉速。

  逆變器采用新型電力電子半導體器件 目前,伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件,主要有大功率晶體管(GTR)、功率場效應管 (MOSFET)和絕緣門極晶體管(IGPT)等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗,提高了系統的響應速度,降低了運行噪聲。尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系統已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關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。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計,并實現了伺服系統的小型化和微型化。




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