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怎样选择伺服驱动器

作者: 深圳日弘忠信电器有限公司发表时间:2018-01-05 17:41:50浏览量:965

  伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器,伺服驱动器其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分。   目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,可以实现比较复杂...
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  伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器,伺服驱动器其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,那我们怎么选择伺服驱动器呢。

  目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,可以实现比较复杂的控制算法,事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

  功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

  伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式,主要应用于高精度的定位系统,目前是传动技术的高端。

  伺服驱动器的规格与选择

  伺服驱动系统的应用非常广泛,举凡需要做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同步运转控制等场合,都是它主要的应用范围。在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作界面会有所不同,但其应用方法与控制原理可说是大同小异。本文将说明直流伺服驱动系统的组成,伺服系统要求规格,驱动器的规格、型式、特性与工作原理,最后再介绍一些应用实例。

  一个伺服电机驱动系统的基本结构如图1所示,通常包含三个主要部份:伺服电动机、速度回路驱动器与位置回路控制器。伺服电机可根据应用的需要而决定是否加装转速计(tachometer)、光编码器(photo encoder)或剎车(braker)。

  一般商品化的伺服驱动器即是指速度回路驱动器,其中包含了功率放大器与速度回路控制器,并包含适当的应用界面电路,因而能够根据应用场合做适当的组合。位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面,亦包含一些较高层次的位置命令与参数调整等界面设定,通常为一可单独销售的产品。

  附录A为日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动器的规格书,其主要规格如表1所列。以PDT-093-10为例,其配合直流伺服 电机为SM60-201,转子惯量为0.27×10-3Kg.cm sec2。主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式,为晶体管脉宽调变(PWM)型,可逆是指可工作于正反转,因此可工作于四象限工作区。

  减定规格(wave factor) 或称之为 derating factor 为波形率(form factor)的倒数。

  直流伺服驱动器的wave factor系指其输 出电流的平均值与rms的比值,其越接近1越好,这表示其涟波电流越小,所造成的rms扭矩损也就越小,因此系统的效率也就越高。

  大多数的直流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入命令,输入命令电压通常介于±10V,输入阻抗通常为10KΩ。一般工业级伺服驱动器的瞬时最大输出电流约为其额定输出电流的2~3倍,瞬时最大输出电流直接关系到驱动系统的加速能力、伺服刚性与频宽,因此是重要的性能指针。

  在选定伺服驱动器时,其速度控制范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑因素。速度控制范围直接影响到低速与高速运动的能力,一般的伺服驱动器其速控比(最高转速/最低转速)通常大于1000。

  速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维持定速的能力,定义的项目通常包含:负载变动、电源电压变动与温度变动。反应时间(response time)为瞬时响应的重要指标,0-1000 rpm的反应时间为一般参考标准。

  在额定负载下的最高转速反应时间,在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标。加减速特性主要指在最高转速的步阶响应其加减速的特性,图2(a)为直线一段加减速,图2(b)为直线两段加减速, 图2(c)为指数曲线加减速。一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速,但亦可根据实际应用需要选择不同加速曲线的驱动器,或在外回路位置控制加以修改。

伺服驱动器

  由于伺服驱动系统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统,因此其闭回路特性就相当重要,表1的闭回路特性包含了:位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回路增益。

  型 式 Type 单位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30

  配适电机 Matching DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002

  转子贯量 Rotor Inertia Kg.cm.sec2 0.27 × 10-3 1.1 × 10-3 0.39 × 10-3

  电 源 Power Reruirements - AC200/220 ±10%, 50/60Hz, 单相

  电源电流 Line Current A 1.5 2 1

  周围条件 Enviromental Spec. - 温度:0~50C 湿度:35~85%

  主 回 路 Main Circuit - 晶体管PWM四象限

  减定格率 Wave Factor % 95 以上

  速度回授 Speed Feedback - MCTG相当(3V±5%/1000rpm) 7V+3V,

  -0V/1000rpm

  输 入

  Input 指令电压 Command V. V/1000rpm DC±3

  Input Impedance 约10

  最大出力电压 Max. Output V. V DC±130 DC±130 DC±130

  额定输出电压 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1

  瞬时最大输出电流.

  Max. Inst. Output Cur. 高速时 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5

  额定扭矩

  Rated Torue 1000rpm Kg.cm 27 6 1.3

  最高速度 Kg.cm 27 6 1.3

  瞬时最大扭矩

  Max. Inst. Torque 0~1000rpm Kg.cm 5.3 14 3.7

  1000rpm~Max. Speed Kg.cm 5.3 14 3.7

  速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm 2400~1 1200~1 3000~1

  速度变动

  Speed Variation 负荷变 动 0~100% rpm 0.01

  电源电压变动 ±10 rpm 0.01

  温度变动 0~50C rpm 0.5

  反应时间

  Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15

  0最高速率 (90%) ms 30 16 45

  加减速特性 Accel.Dclr. Chrst. - 直线1段

  闭路特性

  Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kg.cm/0.01 3.5 10 2.5

  Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 120

  Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70

  外部电流限制 External Cur. Limit -

  保护机能 Protection - 电源电压低下、过速度、过电流、过负荷、TG异常

  重 量

  Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0

  Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0

  Choke Coil kg

  假设一个伺服驱动系统的速度控制回路的回路转换函数(loop transferfunction)为GLV(s),则其静态回路增益(static loop gain)为即为其位置误差常数(position error constant)。

  实际的控制系统均有某一个程度的非线性特性,因此在实际量测一个控制系统的回路增益时均是在闭路控制的情况下,选择一个工作点再利用频率响应分析仪(frequency response analyzer)量测其小信号的回路增益,因此测试结果常标示其工作点。

  直流伺服驱动器本身受到输出电压电流的限制,因此也可以说是一个非线性控制系统,当电机输出扭矩与转速愈高时,所受到的非线性限制也就愈大,因此在转速较高的工作点所测得的回路增益一般均较小。

  选择伺服驱动器时应注意伺服驱动器与其所配对的电机的扭矩/转速工作区,如图4所示。图5为直流伺服驱动器与直流伺服电机的基本接线图。为了降低电枢线圈的涟波电流,可加上一个扼流圈(choke)与 电机线圈串联,但如此也会加长电机的电气时间常数(electrical time constant),而降低了动态响应的性能,在使用上需整体考虑。

  主电源的隔离变压器可提供电压匹配与隔离的功能,但体积大且笨重,在选择时需多加考虑。一般功率较大的驱动器其功率级与信号级均完全隔离以避免 di/dt 与 dv/dt 噪声的干扰,这类的驱动器与市电连接时可不必再多加隔离变压器。

  直流伺服驱动系统的特性

  一个较完整的直流伺服驱动控制系统,包括传动机械在内,其控制方块图如图6所示。中央的虚线部份为直流伺服电机的

  选型步骤大体如下:

  1.需求分析。

  确定转速、转矩、转速精度或定位精度、安装尺寸、是否需要闭环、成本;

  2.选择电机。

  首先确定电机类型;

  然后根据转速、转矩、安装尺寸选择电机;

  3.选择反馈元件

  根据是否需要闭环,决定是否选用反馈元件,如编码器、测速机、旋变等;

  根据转速精度或定位精度选择反馈元件的类型及参数。

  4.选择驱动器。

  根据电机功率,和以上综合因素选择驱动器;

  选择驱动器时,不仅需考虑和电机的匹配,还需考 虑控制方式。选择适合自己控制器的控制方式,也很重要。

  主要视具体应用情况而定,简单地说要确定:负载的性质(如水平还是垂直负载等),转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求,上位控制要求(如对端口界面和通讯方面的要求),主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源,或电池供电,电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

  选择合适的伺服电机系统需要知道的技术数据有:

  1。力矩范围 中小力矩(一般在20Nm以下) 小中大,全范围

  2。速度范围 低(一般在2000RPM以下,大力矩电机小于1000RPM) 高(可达5000RPM),直流伺服电机更可达1~2万转/分

  3。控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式,位置/转速/转矩方式

  4。。平滑性 低速时有振动(但用细分型驱动器则可明显改善) 好,运行平滑

  5。精度 一般较低,细分型驱动时较高 高(具体要看反馈装置的分辨率)

  6。矩频特性 高速时,力矩下降快 力矩特性好,特性较硬

  7。过载特性 过载时会失步 可3~10倍过载(短时)

  8。反馈方式 大多数为开环控制,也可接编码器,防止失步 闭环方式,编码器反馈

  9。编码器类型 - 光电型旋转编码器(增量型/绝对值型),旋转变压器型

  10。响应速度 一般 快

  11。耐振动 好 一般(旋转变压器型可耐振动)

  12。温升 运行温度高 一般

  13。维护性 基本可以免维护 较好

  14。价格 低 高

  伺服系统分直流伺服和交流伺服。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

  有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

  无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。

  交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用,以上就是关于怎么选择伺服驱动器的介绍。

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