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  • 交流伺服电机特点.pdf

    2019-09-05 18:13:35
    交流伺服电机特点
  • 交流伺服电机

    千次阅读 2019-03-28 15:46:38
    1、交流伺服电动机有以下三种转速控制方式: (1)幅值控制控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变,改变控制电压的大小。 (2) 相位控制控制电压与励磁电压的大小,保持额定值不变,改变控制电压的相位 (3)...

    1、交流伺服电动机有以下三种转速控制方式:
    (1)幅值控制控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变,改变控制电压的大小。
    (2) 相位控制控制电压与励磁电压的大小,保持额定值不变,改变控制电压的相位
    (3)幅值—相位控制同时改变控制电压幅值和相位。
    交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
    2、 工作特性和用途
    伺服电动机的工作特性是以机械特性调节特性为表征。
    机械特性:在控制电压一定时,负载增加,转速下降;
    调节特性:在负载一定时,控制电压越高,转速也越高。
    伺服电动机有三个显著特点:
    (1)启动转矩大由于转子导体电阻很大,可使临界转差率Sm>1,定子一加上控制电压,转子立即启动运转.
    (2)运行范围宽在转差率从0到1的范围内都能稳定运转.
    (3)无自转现象控制信号消失后,电动机旋转不停的现象称"自转".自转现象破坏了伺服性,显然要避免.
    正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后,伺服电动机就处于单相运行状态。由于转子导体电阻足够大,使得总电磁转矩始终是制动性的转矩,当电动机正转时失去Uk(控制电压),产生的转矩为负(0<S<1)。而反转时失去UK,产生的转矩为正(1〈S〈2 时〉,不会产生自转现象,可以自行制动,迅速停止运转,这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。

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  • 交流伺服电机结构、工作原理及运行特点
  •  交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的...
  • 分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机的电子齿轮比怎么理解 简单的说,比如说电子齿轮比是1(系统默认),脉冲当量是1mm
  • 分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。   伺服电机作为自动化工厂的动力肌肉,在工控设计与维护当中是无法避免的,那么今天就伺服的...
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  • 伺服电机学习笔记

    千次阅读 2020-11-12 12:41:06
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    课程链接

    https://www.bilibili.com/video/BV1As411p7Fd?from=search&seid=15135202309071399638

    交流伺服电机

    在这里插入图片描述

    同步电机和异步电机

    原理不同

    同步电机,转速与旋转磁势同步,而异步电动机的转速则低于电磁转速;同步电机不论负载大小,只要不失步,转速就不会变化,异步电动机的转速时刻跟随负载大小的变化而变化。从结构上看异步电机无永磁体,依靠定子产生的旋转磁场切割转子鼠笼结构,如下图所示:
    在这里插入图片描述引用别人的回答:
    同步电机,定子和转子都产生磁场,即定子绕组通三相交流电以后产生旋转磁场,转子磁场可由直流励磁线圈或者永磁体产生,定子磁场和转子磁场就像两块磁铁一样,同性相吸;由于定子磁场以电源频率在旋转,所以就带动转子一起旋转运动,两者速度相同。因为,转子角速度等于同步速度(与电源频率一致),所以称为同步电机。异步电机,以鼠笼式为例,只有定子绕组通三相交流电产生旋转磁场,而转子“鼠笼”可以理解为就是一组闭合的导线,本身没有电流,也没有磁场。当定子的旋转磁场切割转子“鼠笼”的导体时(反过来就是导体切割磁力线,法拉第电磁感应定律),在转子上产生感应电流;这时候,由安培定律可知,通电导线在磁场中会受到作用力,驱动转子运动。但是,转子速度永远无法达到定子旋转磁场的速度,因为一旦他们相等了,相当于转子和磁力线相对静止,导体就不切割磁力线了,也就无法产生感应电流了,没有电流就没有安培力了,没有安培力驱动转子在负载力矩的作用下就会减速,减速后转子速度就又低于同步转速,导体就又开始切割磁力线了…,因此转子速度始终达不到同步转速(即由电源频率决定的定子旋转磁场的转速),这也是异步电机的“异步”的由来。这就是二者的本质区别。
    ————————————————
    版权声明:本文为CSDN博主「herrqh」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
    原文链接:https://blog.csdn.net/u010568621/article/details/83864851

    优缺点

    1、同步电机
    优点:同步电动机的功率因数可以调节,在不要求调速的场合,应用大型同步电动机可以提高运行效率。
    缺点:成本相比较与异步电机而言较高。
    主要应用有三种,即作为发电机、电动机和补偿机。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式。小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载,靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率,以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

    2、异步电机
    优点:异步电机是一种交流电机,其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。因此,它具有结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠以及质量较小,成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业生产机械的传动要求。

    缺点:由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系,其调速性能较差(交流换向器电动机除外)。对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等,采用直流电机较经济、方便。  
    应用:作电动机,其功率范围从几瓦到上万千瓦,是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机,为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等,大都采用三相异步电动机(Asynchronous Motor)拖动;电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机,用于风力发电厂和小型水电站等。

    开关磁阻电动机

    结构如下:
    在这里插入图片描述工作原理:
    利用磁阻最小原理,磁通总是沿磁阻最小的路径闭合
    在这里插入图片描述优点:
    1、电动机的结构简单,转子上没有任何形式的绕组;定子上只有简单的集中绕组,端部较短,没有相间跨接线。因此,具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等特点。
    2、开关磁阻电动机的转矩与电流极性无关,只需要单向的电流激励,理论上公率变换电路中每相可以只用一个开关元件,且与电动机绕组串联,不会像PWM逆变器电源那样,存在两个开关元件直通的危险。所以,开关磁阻电动机驱动系统线路简单,可靠性高,成本低于交流调速系统。
    3、开关磁阻电动机转子的结构形式对转速限制小,可制成高转速电动机,而且转子的转动惯量小,在电流每次换相时又可以改变相匝转矩的大小和方向,因而系统有良好的动态响应。
    4、由于SRM采用了独特的结构和控制方法,在与感应电动机相比,有些方面具有优势。SRM系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可以维持在较高水平。
    缺点:
    1、转矩脉动大与噪声、震动大:从工作原理可知,开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的,这影响了SRM性能。

    PMSM与BLDC

    无刷直流电机BLDC()和永磁同步电机PMSM()均属于同步电机,主要区别如下。
    在这里插入图片描述

    1. 定子绕组
      BLDC电机本体:定子绕组为集中绕组(每个磁极有一个线圈),永磁转子形成方波磁场;
      PMSM的电机本体:定子绕组为分布绕组(每个磁极有一个或几个线圈按一定规律线圈组),永磁转子形成正玄磁场;
      集中式绕组:
      在这里插入图片描述分布式绕组:在这里插入图片描述2. 磁钢
      BLDC:磁钢为方波充磁,控制电压PWM也为方波,电流也为方波。一个电周期有6个空间矢量。控制简单,成本低,一般的MCU就可实现。
      PMSM:磁钢为正弦波充磁,反电动势也为正弦波,电流也为正弦波。一般采用矢量控制技术,一个电周期一般最少会有18个矢量(当然越多越好),需要高性能的MCU或DSP才能实现。
    2. 位置传感器
      BLDC的位置传感器:低分辨率,60度分辨率,霍尔元件,电磁式、光电式;
      PMSM的位置传感器:高分辨率,1/256,1/1024,旋转变压器,光码盘;
      旋转变压器如下:
      在这里插入图片描述光电码盘:
      在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1. 控制方式
      BLDC:120度方波电流,采用PWM控制,一般使用6节拍的方波驱动,控制方波的相位和倒通时间
      PMSM:正弦波电流,采用SPWM SVPWM控制,FOC(Field-Oriented Control),直译是磁场定向控制,也被称作矢量控制(VC,Vector Control),可以让我们对无刷电机进行“像素级”控制,实现很多传统电机控制方法所无法达到的效果。
    2. 反向电动势
      BLDC :近似梯形波(理想状态);
      PMSM :正弦波(理想状态 ).
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  • 普通电机是我们平时比较常见的电机,如电动玩具,刮胡刀等,一般都是直流有刷电机。这种电机具有转速过快,扭力过小的特点。一般只有两个引脚,用电池的正负极接上两个引脚就会转起来,然后电池的正负极的反接后电机...

    普通电机 

    普通电机是我们平时比较常见的电机,如电动玩具,刮胡刀等,一般都是直流有刷电机。这种电机具有转速过快,扭力过小的特点。一般只有两个引脚,用电池的正负极接上两个引脚就会转起来,然后电池的正负极的反接后电机转动方向也会反转。

    步进电机

    步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件,是一种感应电机。步进电机特点如下:

    • 步进电机最本质的特点是开环控制。所谓开环,就是只管控制,不管反馈; 步进电机可以通过加装编码器以实现闭环反馈控制。
    • 步进电机接收的是电脉冲信号,根据脉冲数量转过相应的步距角。通俗来讲就是你推一下,我动一下。动的角度就是步距角,是步进电机的固有属性。市面上最常用的两相步进电机,200步为一转,即每步的步距角是1.8度(360°/200=1.8°)。两相步进电机驱动器以发脉冲方式驱动,1个脉冲周期步进电机步进一个步距角,因此,电机一转需200个脉冲周期;
    • 在应用中如传动精度不足达到要求,需要更高的精度的步距角,则必须电机控制的驱动器来实现,因此,驱动器在步距角1.8度中再细分步距角精度,如100细分后1.8/100,其精度提高为每个脉冲步距角为0.018度,一转所需20000个脉冲(0.018*20000=360),其细分越大,步距角精度越高。一般来说,越大细分,控制系统要求越高,转动速度越慢,不利运行效率;
    • 步进电机接收脉冲后转动,但不保证一定能转到。比如脉冲频率过高或者负载较大,就会造成失步,也就是没转到位。因此,使用步进电机的场合,要么不需要位置反馈,要么加入位置反馈元件,如霍尔器件等。

    伺服电机

    伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。

    伺服电机一般指的是电机系统,它包含电机、传感器和控制器。与步进电机原理结构不同的是,伺服电机由于把控制电路放到了电机之外,里面的电机部分就是标准的直流电机或交流感应电机。基本原理如下:伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移;伺服电机每旋转一个角度,同时也会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接收的脉冲形成了呼应,或者叫闭环。系统知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。

    舵机

    舵机指的是伺服电机在航模、小型机器人等领域下常用的一个特殊版本,一般来说比较轻量、小型、简化和廉价,并附带减速机构。

    区别

    步进电机与伺服电机区别如下:

    1.转速要求不同。步进适合低转速场合,转速调整范围较小的场合。伺服电机可控转速较大的场合。

    2.可控可靠性不同。因为伺服电机有反馈信号,因此在控制系统里里,可以实现高可靠性控制。

    3.输出转矩要求不同。目前国外和国内,步进电机最大系列为130框。最大输出静转矩为50牛.米。伺服电机可以有180框以上,60牛.米以上的输出转矩可选。

     

    总结

    知乎网友花生给了一个很形象的比方,将电动系统比作机械系统。定子磁链就是主动轮,转子磁链就是从动轮,电磁力就是传动媒介。伺服电机的媒介就像一个皮带,简单粗暴,连续性好,但起动和重载时会打滑(转速差或失步),所以转速信号需要一个传感器来计量。步进电机的媒介就像一个链条,因为齿和齿啮合的很好,稳定运行不打滑,不用传感器亦可以通过计算得到位置信号。

    展开全文
  • 伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。...分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。
  • 松下A系列伺服电机技术手册pdf,A系列特点 1.采用松下公司独特算法,使速度频率响应提高2倍,达到500Hz;定位超调整定时间缩短为以往产品的1/4。 2.具有共振抑制和控制功能:可函盖机械的刚性不足,从而实现高速...
  • 伺服系统(servomechanism)指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器。伺服系统既可以是开环控制方式,也可以是闭环控制方式。本文按后者...

    本文将永久处于维护序列,如您对文章内容有所疑问,还请提出,共同探讨。 -2021.8.25

    参考文献
    [1] 向晓汉, 宋昕. 变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化学工业出版社, 2015b.
    [2] 梁森, 欧阳三泰, 王侃夫. 自动检测技术及应用[M]. 第3版. 北京:机械工业出版社
    此外还参考了一些伺服品牌的使用手册。

    原名:伺服系统组成:伺服电机及伺服驱动器概述与控制原理(三环控制)

    ——
    注意:伺服系统既可以是开环控制方式,也可以是闭环控制方式。本文按后者叙述

    1伺服系统简述

    “伺服(Servo)”——词源于希腊语“奴隶”,意即“伺候”和“服从”。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具,服从控制信号的要求而动作:在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即转动;当讯号消失,转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能,因此而得名——伺服系统(servomechanism)。

    伺服系统指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。

    一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器(负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈装置)。

    1. 执行器的功能在于提供被控对象的动力,其构成主要包括伺服电动机和功率放大器,伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等(位置传感器)。
    2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等,伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。
      反馈装置除了位置传感器,可能还需要电压、电流和速度传感器。

    下图为一般工业用伺服系统的组成框图,其中红色为伺服驱动器组成部分,黄色为伺服电机组成部分
    在这里插入图片描述

    运动控制(Motion Control,MC)起源于早期的伺服控制。简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

    2伺服电机

    从基本理论上讲,微特电机与普通电机没有本质区别,其主要作用是完成控制信号的传递和转换,注重高精度和快速响应。微特电机分为驱动微电机和控制电机,驱动微电机在电力拖动系统中作为执行机构使用,伺服电机即为驱动微电机。

    2.1伺服电机的反馈装置

    交流伺服电动机的运行需要角度位置传感器,以确定各个时刻转子磁极相对于定子绕组转过的角度,从而控制电动机的运行。
    伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用:

    1. 提供电动机定、转子之间相互位置的数据
    2. 通过角编码器测速,提供速度反馈信号
    3. 提供传动系统角位移信号,作为位置反馈信号

    在这里插入图片描述

    增量式编码器与绝对式编码器

    编码器(encoder)的转轴与被测旋转轴连接,随被测轴一起转动,能够将被测轴的角位移转成二进制编码或一串脉冲,对应于绝对式编码器和增量式编码器。
    增量式: 每转过单位的角度就发出一个脉冲信号;
    绝对式: 对应一圈,运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码,常以多位二进制码来表示,通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。
    需要注意的是,绝对式编码器有单圈式和多圈式之分:

    1. 单圈绝对式编码器其光电码盘转动超过360°时,编码器回到原点,因此只能用于旋转范围360°以内的测量;
    2. 多圈绝对式编码器旋转圈数可由靠锂电池驱动的寄存器保存,也可采用类似钟表的齿轮结构来记忆圈数,前者被称作“假绝对”,后者则被称之为“真绝对”。

    绝对式编码器最重要的特点在于具备掉电保持功能,即使断电之后再重新上电,也能读出当前位置的绝对编码数据。
    单圈绝对式编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失;多式绝对值编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。
    从这一角度来说,若搭载单圈绝对式编码器的伺服电机所驱动的机构其行程若超过一圈,则实质效果同增量式编码器无异(都记不住位置)。

    编码器和电流环没有任何联系,它的采样来自于电机的转动。

    编码器相关名词

    1. 编码器线数
      增量式码盘刻线数,其值等于编码器一转所发出的脉冲数,例如2500线表示转一圈需要发送2500个脉冲。这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的,且与电机自带编码器参数相关。
      严格来讲,伺服电机一转所需上位机发送脉冲数与编码器线数和电子齿轮比有关。
    2. 编码器位数
      其概念来源于绝对式编码器,例如17位(17B)、20位(20B)等,其数值含义见下:
      在这里插入图片描述
      摘自台达PPT,千万注意160000p/r和2^17之间的区别,依据型号不同,一圈所需脉冲数可能为前者,也可能是后者。

    p/s or pps : pluse per second 秒脉冲
    p/r or ppr : pulse per revolution 每转所需脉冲数

    1. 编码器的ABZ相
      A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压,三相脉冲各自独立,A相和B相脉冲量相等,但是A相和B相之间存在一个90°(电气角的一周期为360°)的电气角相位差,可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转,正转时,A相超前B相90°先进行相位输出,反转时,B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。
    2. 编码器线制
      是与编码器线数完全不同的概念,指编码器接线数,如下图为5线制编码器接线图:
      在这里插入图片描述

    2.2倍频

    注意: 只有增量式编码器具备倍频功能。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量,不存在四倍频的问题。

    方波输出有两种,单相编码器输出一相脉冲,正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲(在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿)。
    编码器计数的时候可以只记上升沿(无倍频),单相脉冲记上升沿和下降沿(2倍频);正交脉冲记所有上升沿就是2倍频,记所有上升和下降沿就是4倍频(方波最多只能做到4倍频)。
    以正交编码器为例,4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断,这样1/4的T周期就是最小测量步距,通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断,也可以用逻辑来做,0代表低,1代表高,A/B两相在一个周期内变化是0 0,0 1,1 1,1 0 。这种判断不仅可以4倍频,还可以判断移动方向。
    从经济性来讲,采用倍频电路可以有效提高分辨率,而不增加旋转编码器的光栅数,从而减少旋转编码器的制作难度和成本。
    在这里插入图片描述

    举例:如果电机装了一个2500线编码器,则在不倍频的情况下,电机每转一圈可输出2500个脉冲;如果经过4倍频电路处理,则可以得到一圈10000个脉冲的输出,电机一圈为360°,所以每个脉冲代表的位置为360°/10000,相比360°/2500, 分辨率提高4倍。
    需要注意的是,四倍频2500线增量式编码器转一圈同样需要输入10000个脉冲。
    在这里插入图片描述

    2.3电机刚性与负载惯量比

    电机刚性

    电机刚性(与柔性相对)就是电机轴抗外界力矩干扰的能力,即电机转子的自锁能力。在伺服设置中,可以设定刚性等级,通常根据惯量比以及传动连接方式大致估测。
    刚性与响应速度有关,一般情况下,刚性高的机械可通过提高伺服增益来提高响应性能:刚性越强,对应的速度环增益越大,其响应速度也越高,但是过高容易让电机产生机械共振,无法提高响应性能:在定位命令结束后,即使电机本身已经接近静止,机械传动端仍会出现持续摆动。因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机械以避免机械共振。注意这里的机械刚性指机械的动态刚性,即机床抵抗受迫振动的能力大小。

    在伺服应用中,用联轴器来连接电机和负载,就是刚性连接;而用同步带或者皮带来连接电机和负载,就是柔性连接

    响应时间
    电气系统的响应时间,即给定一个位置、速度、转矩指令,到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。
    对响应速度和刚性关系的具体解释
    在位置模式下,用力让电机偏转,如果伺服系统的响应速度够快,当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力,则电机偏转角度较小,说明伺服系统刚性较强。

    转动惯量与转矩的关系

    计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。
    任何旋转物体均有惯量存在,惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量,才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速,必定是电机输出转矩不符合负载的需求,须加大电机的输出转矩。

    关于力矩、转矩和扭矩

    1. 力矩:力对刚体转动的影响,不仅与力的大小和方向有关,还与力相对于转矩的位置有关,为了描述力对刚体转动的作用,需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。
    2. 转矩:转矩即转动力矩,一般指旋转的物体所受到的力矩。
    3. 扭矩:任何元件在转矩的作用下,必定产生某种程度的扭转变形,因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩,简称扭矩。

    负载惯量比

    电机惯量指的是转子本身的惯量(即转动惯量,只跟转动半径和物体质量有关),分为大、中、小惯量,从响应角度来讲,电机的转子惯量应小为好;从负载角度来看,电机的转子惯量越大越好。
    负载惯量由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成(即机械负载总惯量).适用负载惯量通常小于伺服电机惯量的 5 倍,一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍,可以认为惯量较大。

    负载惯量比 = 负载惯量 / 电机自身转动惯量

    电机刚性与负载惯量比之间的关系

    负载的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大,负载惯量比越大,伺服允许的刚性等级越低。固定增益下,伺服刚性相对转动惯量比过高时,易引起机械共振;反之则电机响应速度迟钝。为此需要做到惯量匹配,即设置合适的负载惯量比。一般是要调控制器增益改变系统响应,进而达到惯量匹配;也可以选用刚性较高的机台以避免机械共振(机台具有的容许响应频率)。

    在伺服设定时,用户可自行选择刚性等级,伺服驱动器将自动产生一组匹配的增益参数,满足快速性与稳定性的需要,其前置条件为已正确获得负载惯量比。

    如何理解伺服电机的刚性和惯量?
    浅谈刚性、惯量、响应时间及伺服增益调整之间的关系

    2.4电子齿轮

    基本概念

    电子齿轮:简单地说就是用电气控制技术代替机械传动机构。一般来说,电机与驱动机构是直连的,机械结构固定后,传动比也就固定了;利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性,提高传动精度。
    电子齿轮比电机编码器接收脉冲与上位机发送脉冲之比,可在驱动器或者控制器上设置。由此可知:
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    例:车床用 10mm 丝杠,电机转动一圈机械移动 10mm,每移动 0.001mm 就需要电机旋转 1/10000 圈(0.001/10),而如果连接 5mm 丝杠(即电机转动一圈机械移动 5mm),且直径编程的话,每 0.001 的位移量就需要 1/5000 转,这时可以用电子齿轮设置,就可以保持脉冲当量不变。

    详见:电子齿轮比计算方法

    脉冲当量

    脉冲当量是指控制器输出一个定位控制脉冲时,所产生的定位控制移动的位移。即单位脉冲的位移。线性运动是指距离,圆周运动是指角度。脉冲当量越小,定位控制的分辨率越高,加工精度也越高。所有的定位控制位移量以脉冲量为单位计算脉冲数。

    3伺服系统控制原理

    3.1三环控制

    运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环和位置环。电流环反应速度最快,速度环的反应速度必须高于位置环,否则将会造成电机运转的震动或反映不良。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能,故用户只需调整位置环、速度环的增益即可。

    伺服的控制方式有3种,分别是位置控制、速度控制和转矩控制。

    1、转矩控制(电流环/单环 控制):转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。主要应用于需要严格控制转矩的场合,在转矩模式下驱动器的运算最小,动态响应最快。
    单环控制难以满足伺服系统的动态要求,一般不采用。

    2、速度控制(速度环、电流环/双环 控制):通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制。速度控制包含了速度环和电流环。任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的跟本。
      
    3、位置控制(三环控制):伺服中最常用的控制。位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度(类似步进电机),也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值(外部模拟量的输入)。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。
    位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。

    转矩控制:是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制
    速度控制:是指驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制
    位置控制:是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制

    在这里插入图片描述
    APR——位置调节器; ASR——速度调节器; ACR——电流调节器

    http://www.elecfans.com/kongzhijishu/sifuyukongzhi/522696.html 伺服驱动器的工作原理及其控制方式

    三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

    第一环为电流环,最内环,此环完全在伺服驱动器内部进行,其PID常数已被设定,无需更改。电流环的输入是速度环PID调节后的输出,电流环的输出就是电机的每相的相电流。**电流环的功能为对输入值和电流环反馈值的差值进行PD/PID调节。**电流环的反馈来自于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流,加速电流的响应过程。

    第二环为速度环,中环。速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值。**电流环的功能为对输入值和速度环反馈值的差值进行PI调节。**速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”的计算后得到的。

    第三环为位置环,最外环。位置环的输入就是外部的脉冲。**位置环的功能为对输入值和位置环反馈值的差值进行P调节。**位置环的反馈来自于编码器反馈的脉冲信号经过“偏差计数器”的计算后得到的。位置调节器APR其输出限幅值是电流的最大值,决定着电动机的最高转速。

    位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值,由很多因素决定。
    在这里插入图片描述

    多环控制系统调节器的设计方法是从内环到外环,逐个设计各环调节器,使每个控制环都是稳定的,从而保证整个控制系统的稳定性;每个环节都有自己的控制对象,分工明确,易于调整。这种设计的缺点在于对最外环控制作用的响应不会很快。

    https://blog.csdn.net/reasonyuanrobot/article/details/96497025?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1 伺服电机三环(电流环、速度环、位置环)控制原理及参数调节

    https://www.sohu.com/a/159764872_463998 伺服电机三环控制系统调节方法浅谈

    3.2伺服系统的增益参数调整

    按照设备需求选择好合适的控制模式后,需要对伺服增益参数进行合理的调整,使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机,最大限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进行调整,它们之间会相互影响。

    关于位置或速度响应频率的选择必须由机台的刚性及应用的场合来决定,一般而言,高频度定位的机台或要求精密加工的机台需要设定较高的响应频率,但设定较高的响应频率容易引发机台的共振,因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机台以避免机械共振。在未知机台的容许响应频率时,可逐步加大增益设定以提高响应频率直到共振音产生时,再调低增益设定值。

    1. 位置控制增益(KPP)
      本参数决定位置回路的应答性,KPP 值设定越大位置回路响应频率越高,对于位置命
      令的追随性越佳,位置误差量越小,定位整定时间越短,但是过大的设定会造成机台
      产生抖动或定位会有过冲(Overshoot)的现象。

    2. 速度控制增益(KVP)
      本参数决定速度控制回路的应答性,KVP 设越大速度回路响应频率越高,对于速度命
      令的追随性越佳,但是过大的设定容易引发机械共振。
      速度回路的响应频率必须比位置回路的响应频率高 4~6 倍,当位置响应频率比速度响应频率高时,机台会产生抖动
      或定位会有过冲(Overshoot)的现象。

    3. 速度积分补偿(KVI)
      KVI 越大对固定偏差消除能力越佳,过大的设定容易引发机台的抖动。

    4. 共振抑制低通滤波器(NLP)
      负载惯性比越大,速度回路的响应频率会下降,必须加大 KVP 以维持速度的响应频率,
      在加大 KVP 的过程,可能产生机械共振音,请尝试利用本参数将噪音消除。越大的
      设定对高频噪音的改善越明显,但是过大的设定会导致速度回路不稳定及过冲的现象

    5. 外部干扰抵抗增益(DST)
      本参数用来增加对外力的抵抗能力,并降低加减速的过冲现象。

    6. 位置前馈增益(PFG)
      可降低位置误差量并缩短定位的整定时间,但过大的设定容易造成定位过冲的现象。

    另一份资料

    1. 位置比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调;
    2. 位置前馈增益:位置环的前馈增益大,控制系统的高速响应特性提高,但会使系统的位置不稳定,容易产生振荡;
    3. 速度比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,速度滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调;
    4. 速度积分时间常数:设置值越小,积分速度越快。
    5. 速度反馈滤波因子:数值越大,截止频率越低,电机产生的噪音越小;数值越小,截止频率越高,速度反馈响应越快。
    6. 最大输出转矩设置

    4伺服系统的设计

    根据伺服电动机的种类,伺服系统可分为直流和交流两大类。采用电流闭环控制后,二者具有相同的控制对象数学模型。因此可用相同的方法设计交流或直流伺服系统

    对于闭环伺服控制系统,常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正,一般把串联校正单元称作调节器,所以又称调节器校正;若校正装置与前向通道并行,称为并联校正

    4.1调节器校正

    常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。

    附录1 伺服电动机与其它电动机的辨析

    伺服电动机与普通电动机的区别

    1. 普通电动机(有刷)多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。
    2. 伺服电动机动态性高
    3. 伺服电动机启动转矩大、调速范围宽
    4. 伺服电动机结构紧凑
    5. 伺服电动机定子散热方便

    伺服电动机与舵机的区别
    舵机相当于简化版的完整的伺服系统。
    伺服电机都是三环控制,即电流环、速度环、位置环;舵机只检测位置环(一般用电位器)。

    伺服电动机与步进电动机的区别

    1. 步进电机多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。(使用步进电机的场合,要么不需要位置反馈,要么在其他设备上进行位置反馈)
    2. 伺服电机控制精度和定位高于步进电机
    3. 伺服电机低频特性好,过载能力大,响应时间短
    4. 伺服电机调速范围大于步进电动机
    5. 步进电机只能接受脉冲信号,二私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号

    伺服电机和步进电机常被搞混,二者外形相似,区别点在于伺服电机尾部的反馈装置;此外步进电机一般都是一个引出线端,伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端(编码线和动力线)。
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