伺服電機驅動器

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通用型與脈沖型伺服驅動器的區別

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通用型與脈沖型伺服驅動器的區別

發布日期:2019-01-07 作者: 點擊:

通用型與脈沖型伺服驅動器的區別

  伺服驅動器

  伺服驅動器(servo drives)又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用來控制伺服電機的一種控制器,其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達,屬于伺服系統的一部分,主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制,實現高精度的傳動系統定位,目前是傳動技術的高端產品。

  伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分,被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否,對于整個伺服控制系統,特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用 。

  在伺服驅動器速度閉環中,電機轉子實時速度測量精度對于改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡,一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器,與其對應的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量范圍,但這種方法有其固有的缺陷,主要包括:1)測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖,限制了最低可測轉速;2)用于測速的2個控制系統定時器開關難以嚴格保持同步,在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統速度環設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能 。

  工作原理

  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。

  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。

  伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分,被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否,對于整個伺服控制系統,特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。

  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。

  測試平臺

  目前,伺服驅動器的測試平臺主要有以下幾種:采用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺、采用可調模擬負載的測試平臺、采用有執行電機而沒有負載的測試平臺、采用執行電機拖動固有負載的測試平臺和采用在線測試方法的測試平臺 。

  1采用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺

  這種測試系統由四部分組成,分別是三相PWM整流器、被測伺服驅動器—電動機系統、負載伺服驅動器—電動機系統及上位機,其中兩臺電動機通過聯軸器互相連接。被測電動機工作于電動狀態,負載電動機工作于發電狀態。被測伺服驅動器—電動機系統工作于速度閉環狀態,用來控制整個測試平臺的轉速,負載伺服驅動器—電動機系統工作于轉矩閉環狀態,通過控制負載電動機的電流來改變負載電動機的轉矩大小,模擬被測電機的負載變化,這樣互饋對拖測試平臺可以實現速度和轉矩的靈活調節,完成各種試驗功能測試。上位機用于監控整個系統的運行,根據試驗要求向兩臺伺服驅動器發出控制指令,同時接收它們的運行數據,并對數據進行保存、分析與顯示。 [2]

  對于這種測試系統,采用高性能的矢量控制方式對被測電動機和負載設備分別進行速度和轉矩控制,即可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能,完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但由于使用了兩套伺服驅動器—電動機系統,所以這種測試系統體積龐大,不能滿足便攜式的要求,而且系統的測量和控制電路也比較復雜、成本也很高。

  2采用可調模擬負載的測試平臺

  這種測試系統由三部分組成,分別是被測伺服驅動器—電動機系統、可調模擬負載及上位機。可調模擬負載如磁粉制動器、電力測功機等,它和被測電動機同軸相連。上位機和數據采集卡通過控制可調模擬負載來控制負載轉矩,同時采集伺服系統的運行數據,并對數據進行保存、分析與顯示。對于這種測試系統,通過對可調模擬負載進行控制,也可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能,完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但這種測試系統體積仍然比較大,不能滿足便攜式的要求,而且系統的測量和控制電路也比較復雜、成本也很高。

  3采用有執行電機而沒有負載的測試平臺

  這種測試系統由兩部分組成,分別是被測伺服驅動器—電動機系統和上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器,伺服驅動器按照指令開始運行。在運行過程中,上位機和數據采集電路采集伺服系統的運行數據,并對數據進行保存、分析與顯示。由于這種測試系統中電機不帶負載,所以與前面兩種測試系統相比,該系統體積相對減小,而且系統的測量和控制電路也比較簡單,但是這也使得該系統不能模擬伺服驅動器的實際運行情況。通常情況下,此類測試系統僅用于被測系統在空載情況下的轉速和角位移的測試,而不能對伺服驅動器進行全面而準確的測試。

  4采用執行電機拖動固有負載的測試平臺

  這種測試系統由三部分組成,分別是被測伺服驅動器—電動機系統、系統固有負載及上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器,伺服系統按照指令開始運行。在運行過程中,上位機和數據采集電路采集伺服系統的運行數據,并對數據進行保存、分析與顯示。

  對于這種測試系統,負載采用被測系統的固有負載,因此測試過程貼近于伺服驅動器的實際工作情況,測試結果比較準確。但由于有的被測系統的固有負載不方便從裝備上移走,因此測試過程只能在裝備上進行,不是很方便。

  5采用在線測試方法的測試平臺

  這種測試系統只有數據采集系統和數據處理單元。數字采集系統將伺服驅動器在裝備中的實時運行狀態信號進行采集和調理,然后送給數據處理單元供其進行處理和分析,最終由數據處理單元做出測試結論。由于采用在線測試方法,因此這種測試系統結構比較簡單,而且不用將伺服驅動器從裝備中分離出來,使測試更加便利。此類測試系統完全根據伺服驅動器在實際運行中進行測試,因此測試結論更加貼近實際情況。但是由于許多伺服驅動器在制造和裝配方面的特點,此類測試系統中的各種傳感器及信號測量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現故障,也會給伺服驅動器的工作狀態造成不良影響,最終影響其測試結果。

  通用型與脈沖型伺服驅動器的區別

  伺服驅動器的種類有很多,主要可分為通用型與脈沖型,那么通用型與脈沖型的伺服驅動器有什么區別?

  通用型伺服驅動器可以接收模擬量電壓進行外部速度控制與轉讓矩控制,還可以接收脈沖進行位置控制,脈沖型的伺服驅動器沒有模擬量接收電路,只有脈沖接收口電路,價格上便宜一點。

  傳統電機作為機電能量轉換裝置,在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。可是在人類社會進入自動化時代的今天,傳統電機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統的要求。為適應這些要求,發展了一系列新的具備控制功能的電機系統,其中較有自己特點。

  伺服驅動器可使控制速度,位置精度非常準確。將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服驅動器如果因為負載過大,而產生慣性,這樣的情況多是走過頭了。點動指令是走不準的,特別是用點動回原點,那是大錯特錯。點動的開停是一個完全的90度直角,啟停相當于急剎車,想想也是停不住的了,所以回原點一定還是要用回原點指令。

  通用伺服的廠家比較

  伺服系統(servomechanism)又稱隨動系統,是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理,使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。

  在很多情況下,伺服系統專指被控制量(系統的輸出量)是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統,其作用是使輸出的機械位移(或轉角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉角),其結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。伺服系統最初用于國防軍工, 如火炮的控制, 船艦、飛機的自動駕駛,導彈發射等,后來逐漸推廣到國民經濟的許多部門,如自動機床、無線跟蹤控制等。

  乘著運動控制如火如荼的發展趨勢,中國通用伺服市場表現不俗。

  2017年第二季度,松下、三菱、臺達、匯川二季度業績同比增長超過30%;安川、埃斯頓等廠商業績二季度業績增長超過20%;西門子等廠商二季度業績同比增長超過10%。

  漂亮的銷售數字背后,離不開國家政策紅利持續推動制造業升溫、iphone8相關生產設備升級、鋰電池生產設備及太陽能加工設備增加的巨大市場。在伺服需求同比大幅增長的情況下,歐美系、日系、國產等各家廠商的通用伺服產品也表現出較強的行業偏好。

  在細分行業中,各大廠商Q2表現:

  電子制造行業

  細分來看,3C相關的設備伺服需求上漲;鋰電池相關設備和太陽能后端加工設備伺服需求增長。在這個方面,松下、三菱、西門子、羅克韋爾、匯川、施耐德、埃斯頓增長幅度皆在15%以上;整體而言,電子制造行業漲幅穩居第一。

  2.機床行業

  手機周邊等3C相關小型精密加工機床增長非常強勁,加工中心和復合車銑等金切機床等增長次之。安川、臺達、埃斯頓在該行業業績同比增長大于15%;機床行業市場表現增幅穩步增長。

  3.機械手及機器人周邊

  2017年中國已變成工業機器人第一大市場,相關市場需求快速增長。匯川、臺達、松下搭乘“中國制造2025”的大船,相關行業增長幅度較大。其中,匯川以穩定的質量和服務該領域取得了優秀的成績。

  4.紙巾機械伺服

  包裝機械伺服需求保持穩定增長;需特別指出的是,國內由于二胎政策和人口老齡化等因素促進紙巾機械增長。使得羅克韋爾自動化在紙巾機械、包裝機械等行業增長幅度為兩位數。

  5.出口紡織機械伺服

  德系汽車廠需求微幅下滑,紡織機械需求在Q2內微幅增長。在這個方面,埃斯頓相關產品表現仍然保持強勁,Lenze微幅增長。

  各大伺服“新寵”哪家強?

  歐系品牌如西門子、施耐德等,性能好,穩定性強,同時由于技術路線與日系產品不同,成本較高。為了拓展國內市場,也在不斷進行伺服系統的本地化研發,外資品牌的“本地化”已經爐火純青了。代表:西門子最新發布的SINAMICS V90伺服系統。

  日本廠家傾向于在易用性方面下功夫,使得交流伺服系統就像步進電機那么方便易用,達到所謂的即插即用(Plug and Work)。三菱、安川、松下皆有特色產品。

  通用型與脈沖型伺服驅動器的區別

  代表:松下AC伺服電機和驅動器。其MINAS A6家族,更小、更快、使用更簡單。適應時代需求的伺服電機。實現了高速和高精度響應的伺服電機/驅動器,適用于半導體制造裝置與機器人。

  日本安川近幾年重點推廣的直線電機結構簡單,適合高速直線運動。初級繞組利用率高, 無橫向邊緣效應, 容易克服單邊磁拉力問題。易于調節和控制, 適應性強、高加速度。

  國內驅動器廠家研究較多,推出商品化產品的有上海鳴志、北京清能德創、深圳大族電機、深圳步科等。對于國內廠家而言,不僅要在整體方案上體現更好的性能,也要繼續發揮較強的服務優勢,提升客戶體驗。最為重要的是,編碼器、減速器、伺服機等核心零部件的自主研發要積極踐行,提高伺服系統的電機動態響應、過載能力、效率等綜合性能。

  代表:臺達重磅推出高性能運動控制型高階交流伺服系統ASDA-A3系列。該系列產品以其極速、精準、平穩、高效、節能的技術優勢,ASDA-A3系列具有3kHz速度響應頻寬,較臺達ASDA-A2系列提升達3倍,從而使命令追隨更及時。

  用戶體驗

  國內目前還是處于電機本體自己做,編碼器外購的階段。安川已經做到自己定制編碼器,使電機的體積更小,結構更簡單。西門子的伺服用量也挺大的,可靠的設備用西門子、羅克韋爾自動化的居多。西門子電機設計余量大,結實耐用。

  由Q2季度各大廠商在各細分行業表現可知:一線伺服系統廠商,不斷刷新伺服的技術和性能標準,并在長期的應用實踐中形成了各自的行業積累。二季度政策紅利持續,推動制造業升溫;分銷商備貨意愿增強,中間庫存同比大幅增長;iphone8相關生產設備、鋰電池生產設備及太陽能加工設備伺服需求同比大幅增長,帶動松下、安川、臺達、匯川等廠商出貨同比增加。

  國內生產的專用伺服電機居多;國內伺服大部分廠家出于成本考慮,偏向日系設計。日系電機的零配件也相對能夠找到,非常好配型。不足之處則是中國在驅動器、編碼器、運動控制器等配套方面技術不夠。從長遠計,應著重發展相關技術領域。

  延伸閱讀:伺服通俗解讀 ——你真懂真理解伺服系統嗎?

  關于伺服、伺服驅動器、伺服電機、伺服系統,隨便拿出去問,百分之九十九的人都是不熟悉不清楚不了解的,我想,就算是與伺服相關的工作人員,數控自動化等工控領域的技術人才,大多也覺得對伺服‘一知半解’。我接觸過很多伺服從業人員,銷售公司的業務、技術人員,數控自動化系統開發的電工、技術人員、工程師,乃至伺服品牌本身個崗位領域的人才,其中包括技術工程師。要說真的理解很深刻,還是感覺不明顯。

  當然,毫無疑問,對于本崗位本工作信息乃至技術,他們都是相當專業的,比如銷售人員,對于自銷伺服類比、系列、型號,選型、乃至技術特點,沒誰比他熟悉;比如售前技術工程師,對于每款伺服的特性、參數設置特點,乃至調試經驗,尤其是資深工程師,絕對是專業專家級。

  但是,作為一個骨灰級電子愛好者,一位長期接觸過不少各式各樣電子產品,專業從事過高至某著名通信品牌基站通信設備維修,以及如今從事變頻、伺服、工控機、工控屏維修的電子產品維修人員,每每接觸到都能讀到,他們對伺服技術、性能、參數乃至故障原因,等等一些認知和理解伺服的渴求,接觸經銷商、代理商,他們最大的渴求和希望,就是我們能夠提供他們技術支持,當然不是設備損壞的維修技術。

  不難理解,他們技術支持工程師,每每出去,總是指不定遇到如何刁鉆,如何離奇古怪的技術問題,系統調試難題,而且,基本時間都相當緊迫(客戶大多都久攻不下、電話咨詢嘗試盡了想得到的種種方案可能)。

  伺服驅動器伺服系統是好的,裝上去卻不能按預計的方案工作,三百多項的伺服內部調試參數和上位機編程等等多個系統相輔相成的配合工作這,只要找不出原因結癥所在,問題就不能得到有效的解決。期待我們這些專攻電子技術、電路特性原理,乃至修復解決伺服故障的從業人員,能夠給個深刻的解讀方案、一種思路、一個靈感,就選得相當自然,和從分需求了。

  沒錯,作為維修人員,對伺服系統的硬件技術的確比較熟悉,由于這是智能系統,也往往可以根據故障特性對參數設置,有另一層面的認識和理解,這是自然的。當然,術有專攻,資深才能認知到位理解深刻,這是自然的規律。

  好了,閑話少說,得照照題,題目是‘伺服通俗解讀’。要很好照應題目,我想還要花些口舌,說些基礎、常識。

  伺服是什么?其實,伺服就是一個電機,和控制這個電機的驅動器。電機就叫伺服電機,驅動器自然叫伺服驅動器,‘伺服’源自于控制,精確控制的代名詞。——很顯然,為了控制電機,精確控制電機,專門研發出“伺服”這樣的一種系統。到此,可能很多人會奇怪:控制個電機為什么要做個這么復雜的系統呢?

  這不得不引入電機應用、原理以及發展的一些信息了。

  電機,是運用電磁原理,通電線圈在磁場環境產生作用力作用而轉動的一種電子產品。

  電子根據應用發展有直流電機、交流電機;

  直流又分有刷、無刷電機之分,主要是因為有刷電機必須定期更換碳刷,維護麻煩人類設計出刷電機;

  交流電機又分單相、三相、同步、異步等。電機是蒸汽機、內燃機外產生運動必須的載體,所以根據各自各樣的應用和工作要求,早期人類就設計出了如此多的電機品種和類別,各有各的特長和優點,所以存在的相當長的一段時間,不過它們的固有缺點與特性,日漸不能滿足人類的需求,比如,所有電機的速度都不易控制,即使以控制速度見長的直流電機,要想準恒定定在某個轉速上還是很難很難的;又如,由電磁原理我們不難發現,電機線圈通常是銅等低阻抗的材質組成,那么通電瞬間電流是可以很大很大的,磁場對線圈的作用力跟這個通過的電流密切先關,只有在電機轉起來轉速恒定,感抗恒定才使得電機的通電電流恒定,經驗表明,啟動瞬間電機的電流是電機正常工作電流的5~10倍,而且,電機在低于3倍的電流之下,啟動乏力。這是電機至今的固有特點缺點,至此,我們也不難明白,通電中的電機一旦發生堵轉(通俗說就是掐死不動了),通電電流對其可是災難性的。同時我們也不難明白,相對于傳動系統來說,電機啟動瞬間的扭力可是具有很大破壞力的,因為跟正常工作狀態時的扭力差距太大。

  因此,人們一直以來都在著力研究電機的速度和扭力控制問題。后來,人們在變頻技術上得到突破,開發了變頻驅動器,它在一定程度上可以控制三相電機的數度,而且也一定程度緩解了電機啟動瞬間的扭力和轉動加速度問題。如今我們日常使用的升降電梯速度可變,和上產中的自動扶梯速度可變,基本都是運用變頻技術。變頻技術就是利用逆變技術控制電機的三相供電頻率電流可變,從而達到一定程度地控制電機在某個速度下恒定的目的。技術的關鍵點在于變頻器內可編程芯片(我們俗稱CPU)內部的算法,所以變頻器本身有許多參數供用戶在特定場合應用時調節合適的算法補償。

  伺服,就是在變頻的技術上發展出來的更進一步產品,其通過電機屁股上安裝編碼器反饋信息,驅動器內部的CPU再結合這個反饋信息生成控制三相電流輸出的脈沖,從而實現伺服電機的精確控制。伺服驅動器的“使能”,其實就是啟動一個設計好的三相電機動力電源的脈沖,使電機懸停在停止和轉動之間,那么這個既解決了電機啟動瞬間缺點所帶來的問題,也使得能伺服驅動器在接收到外界“電機轉動”指令使電機迅速轉動。那么,伺服內部的眾多參數,不過就是分門類別地根據伺服應用在各種各樣各式的運用場合下,配合上位機、配合機械機床、配合特定的瞬態、力度的修補調整。

  我想,太專業的術語,外行人看不懂,行內人好像術語都明白都懂,卻想象不出其究竟是如何體現表現的。

  那么,伺服系統,我們可以借助公司財務來理解,老板通常只會去跟財務人員說“我要分什么報表”、“我要什么收支情況”、“我要出差安排”等等等等,財務部就根據公司內部的一切信息方法進行計算,得出老板所需要的答案。伺服系統就是這么樣的一個系統。




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關鍵詞:伺服驅動器,伺服驅動器,伺服驅動器

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