1、伺服系統(tǒng):是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出,能夠跟隨輸入量(或給定值)的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。

2、在自動控制系統(tǒng)中,能夠以一定的準確度響應控制信號的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng),亦稱伺服系統(tǒng)。

伺服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、速度和位置控制得非常靈活方便。

3、伺服系統(tǒng)的分類及組成

伺服系統(tǒng)按系統(tǒng)結構可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、復合控制系統(tǒng)。

具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由位置檢測部分、偏差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。

4、伺服系統(tǒng)的性能要求

伺服系統(tǒng)必須具備可控性好,穩(wěn)定性高和適應性強等基本性能。說明一下,可控性好是指訊號消失以后,能立即自行停轉;穩(wěn)定性高是指轉矩隨轉速的增加而均勻下降;適應性強是指反應快、靈敏、響態(tài)品質好。

5、伺服系統(tǒng)的種類

通常根據伺服驅動機的種類來分類,有電氣式、油壓式或電氣-油壓式三種。

伺服系統(tǒng)若按功能來分,則有計量伺服和功率伺服系統(tǒng);模擬伺服和功率伺服系統(tǒng);位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。

電氣式伺服系統(tǒng)根據電氣信號可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)二大類。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機伺服系統(tǒng)和同步電機伺服系統(tǒng)兩種。

伺服與變頻的一個重要區(qū)別是: 變頻可以無編碼器,伺服則必須有編碼器,作電子換向用。

一、兩者的共同點:

交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術,在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的,也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié):變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電,然后通過可控制門極的各類晶體管(IGBT,IGCT等)通過載波頻率和PWM調節(jié)逆變?yōu)轭l率可調的波形類似于正余弦的脈動電,由于頻率可調,所以交流電機的速度就可調了(n=60f/p ,n轉速,f頻率, p極對數)

二、談談變頻器:

簡單的變頻器只能調節(jié)交流電機的速度,這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定,這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式。很多的變頻已經通過數學模型的建立,將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量,大多數能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩,UVW每相的輸出要加霍爾效應的電流檢測裝置,采樣反饋后構成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調節(jié);ABB的變頻又提出和這樣方式不同的直接轉矩控制技術,具體請查閱有關資料。這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩,而且速度的控制精度優(yōu)于v/f控制,編碼器反饋也可加可不加,加的時候控制精度和響應特性要好很多。

三、談談伺服:

驅動器方面:伺服驅動器在發(fā)展了變頻技術的前提下,在驅動器內部的電流環(huán),速度環(huán)和位置環(huán)(變頻器沒有該環(huán))都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算,在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強大很多,主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置(當然也有些伺服內部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數設定在驅動器里),驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。

電機方面:伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機(一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機),也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時,伺服電機就能根據電源變化產生響應的動作變化,響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機,電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號,而是電機本身就反應不了,所以在變頻的內部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的,有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅動 伺服電機!

四、談談交流電機:

交流電機一般分為同步和異步電機

1、交流同步電機:就是轉子是由永磁材料構成,所以轉動后,隨著電機的定子旋轉磁場的變化,轉子也做響應頻率的速度變化,而且轉子速度=定子速度,所以稱"同步"。

2、交流異步電機:轉子由感應線圈和材料構成。轉動后,定子產生旋轉磁場,磁場切割轉子的感應線圈,轉子線圈產生感應電流,進而轉子產生感應磁場,感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化,但轉子的磁場變化永遠小于定子的變化,一旦等于就沒有變化的磁場切割轉子的感應線圈,轉子線圈中也就沒有了感應電流,轉子磁場消失,轉子失速又與定子產生速度差又重新獲得感應電流。所以在交流異步電機里有個關鍵的參數是轉差率就是轉子與定子的速度差的比率。

3、對應交流同步和異步電機就有相應的同步變頻器和異步變頻器,伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服,當然變頻器里交流異步變頻常見,伺服則交流同步伺服常見。

一、AC伺服系統(tǒng)

電氣伺服技術應用最廣,主要原因是控制方便,靈活,容易獲得驅動能源,沒有公害污染,維護也比較容易。特別是隨著電子技術和計算機軟件技術的發(fā)展,它為電氣伺服技術的發(fā)展提供了廣闊的前景。

早在70年代,小慣量的伺服直流電動機已經實用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展,逐步實用化,AC伺服電動機的應用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。永磁轉子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高,價格不斷下降,控制又比異步電機簡單,容易實現(xiàn)高性能的緣故,所以永磁同步電機的AC伺服系統(tǒng)應用更為廣泛。

在交流同步伺服驅動系統(tǒng)中,普通應用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。

一類稱為無刷直流電動機,它要求將方波電流直入定子繞組(BLDCM)

另一類稱為三相永磁同步電動機,它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)

無刷直流電動機(BLDCM),用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極,將原直流電動機的電樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟妱訖C是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組,而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉子顛倒一下,并采用永磁轉子,就可以省去機械換向器和電刷,由此得名無刷直流電動機。BLDCM定子每相感應電動勢為梯形波,為了產生恒定的電磁轉矩,要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流,而SPWM、PM、SM定子每相感應電動勢為近似正弦波,需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。

永磁同步電機的磁場來自電動機的轉子上的永久磁鐵,永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性,采用的永磁材料主要有鐵淦氧,鋁鎳鈷,釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17.

在轉子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉子表面,即所謂外裝式;另一種是將形成永久磁鐵埋入轉子里面,即所謂內裝式。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。

根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁磁動勢的分布不同,三相永磁同步電動機可分為兩種類型:正弦波型和方波型永磁同步電機,前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀,后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀,根據子路結構和永磁體形狀的不同而不同。對于徑向勵磁結構,永磁體直接面向均勻氣隙,如果采用系統(tǒng)永磁材料,由于稀土永磁的取向性好,可以方便的獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。對于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵磁結構,氣隙磁場波形可以實現(xiàn)正弦分布。

綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異歸納如下::

控制原理相似,給定指令信號加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端,電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較,根據比較結果控制伺服的運動,直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構成的基本思路是一致的。

兩種永磁無刷電動機比較而言,方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易等優(yōu)點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷,因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續(xù)性而存在電磁脈動,而這種脈動在高速運轉時產生噪聲,在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅動的主要障礙。轉矩脈動又使得電機速度控制特性惡化,從而限制了由其構成的方波無刷直流電動機伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅動場合下的應用(尤其是在低速直接驅動場合)。因此,對于一般性能的電伺服驅動控制系統(tǒng),選用方波無刷直流電動機及相應的控制方式。而PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流,可以獲得更好的平穩(wěn)性,具有更優(yōu)越的低速伺服性能。因而廣泛用于數控機床,工業(yè)機器人等高性能高精度的伺服驅動系統(tǒng)中。

二、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經歷了由液壓到電氣的過程,電氣伺服系統(tǒng)根據所驅動電機類型分為直流(DC)伺服系統(tǒng)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅動電機類型又可分為永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統(tǒng)和感應式異步(IM型)電動機交流伺服系統(tǒng)。

由于直流伺服電動機存在電機結構復雜,維修工作量大例如電機的電刷、換向器等則成為直流伺服驅動技術發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術、大功率電力電子技術的成熟和交流永磁電機材料的發(fā)展和應用,電機效率的提高和制造成本的降低,交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)。

1990年以前,由于技術、成本等原因,國內伺服電機以直流無槽、直流永磁有刷電機和步進電機為主,而且主要集中在機床和國防軍工行業(yè)。1990年以后,進口永磁交流伺服電機系統(tǒng)逐步進入中國,此期間得益于稀土永磁材料的發(fā)展、電力電子及微電子技術日新月異的進步,交流伺服電機的驅動技術也很快從模擬式過渡到全數字式。由于交流伺服電機的驅動裝置采用了先進全數字式驅動控制技術,硬件結構簡單,參數調整方便,產品生產的一致性可靠性增加,同時可集成復雜的電機控制算法和智能化控制功能,如增益自動調整、網絡通訊功能等,大大拓展了交流伺服電機的適用領域;另外隨著各行業(yè),如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等,對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高,這些領域對交流伺服電機的需求將迅猛增長,交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。

正弦波交流伺服系統(tǒng)綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的最新成就,與采用新型電力電子器件、專用集成電路和專用控制算法的交流伺服驅動器相匹配,組成新型高性能機電一體化產品。使原有的直流伺服系統(tǒng)面臨淘汰的危機,成為當今世界伺服驅動的主流及發(fā)展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空、航天、兵器、船舶、電子及核工業(yè)等領域,如自行火炮、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達驅動、機載吊艙定位系統(tǒng)、戰(zhàn)車火控及火力系統(tǒng)、水下滅雷機器人等。

三、伺服電機的應用

松下交流伺服電機(AC Servo) A4系列

1. 快速使用

電機運轉必須的三根電纜:動力電纜;電機動力線,電機編碼器線。

控制線接口X5:

伺服使能必須接的引腳:DC24V電源(7,41) 伺服使能SRV-ON(29)

控制信號:位置控制————-(脈沖方向輸入3,4,5,6)

速度控制————-(模擬量輸入14,15 0到±10V)

扭矩控制——————(模擬量輸入 14,15)

其他輔助控制功能:

10點輸入:①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除。

6點輸出:①報警(ALM)②準備(S-RDY)③制動器釋放(BRK-OFF)④零速檢測(ZSP)⑤轉矩控制TLC。⑥定位完成或者速度到達

它比步進系統(tǒng)就多了一個編碼器反饋,構成了一個閉環(huán)系統(tǒng),當然這個閉環(huán)僅僅是相對而言。伺服系統(tǒng)逐漸取代了步進系統(tǒng),所以大家會逐漸熟悉。

三相交流伺服電動機應用廣泛,但通過長期運行后,會發(fā)生各種故障,及時判斷伺服電機故障原因 ,進行相應處理,是防止故障擴大,保證設備正常運行的一項重要的工作。

一、通電后電動機不能轉動,但無異響,也無異味和冒煙。

1、故障原因①電源未通(至少兩相未通);②熔絲熔斷(至少兩相熔斷);③過流繼電器調得過小;④控制設備接線錯誤。

2、故障排除①檢查電源回路開關,熔絲、接線盒處是否有斷點,修復;②檢查熔絲型號、熔斷原因,換新熔絲;③調節(jié)繼電器整定值與電動機配合;④改正接線。

二、通電后電動機不轉有嗡嗡聲

1、故障原因①轉子繞組有斷路(一相斷線)或電源一相失電;②繞組引出線始末端接錯或繞組內部接反;③電源回路接點松動,接觸電阻大;④電動機負載過大或轉子卡住;⑤電源電壓過低;⑥小型電動機裝配太緊或軸承內油脂過硬;⑦軸承卡住。

2、故障排除①查明斷點予以修復;②檢查繞組極性;判斷繞組末端是否正確;③緊固松動的接線螺絲,用萬用表判斷各接頭是否假接,予以修復;④減載或查出并消除機械故障,⑤檢查是否把規(guī)定的面接法誤接;是否由于電源導線過細使壓降過大,予以糾正,⑥重新裝配使之靈活;更換合格油脂;⑦修復軸承。

三、電動機起動困難,額定負載時,電動機轉速低于額定轉速較多

1、故障原因①電源電壓過低;②面接法電機誤接;③轉子開焊或斷裂;④轉子局部線圈錯接、接反;③修復電機繞組時增加匝數過多;⑤電機過載。

2、故障排除①測量電源電壓,設法改善;②糾正接法;③檢查開焊和斷點并修復;④查出誤接處予以改正;⑤恢復正確匝數;⑥減載。

四、電動機空載電流不平衡,三相相差大

1、故障原因①繞組首尾端接錯;②電源電壓不平衡;③繞組存在匝間短路、線圈反接等故障。

2、故障排除①檢查并糾正;②測量電源電壓,設法消除不平衡;③消除繞組故障。

五、電動機運行時響聲不正常有異響

1、故障原因①軸承磨損或油內有砂粒等異物;②轉子鐵芯松動;③軸承缺油;④電源電壓過高或不平衡。

2、故障排除①更換軸承或清洗軸承;②檢修轉子鐵芯;③加油;④檢查并調整電源電壓。

六、運行中電動機振動較大

1、故障原因①由于磨損軸承間隙過大;②氣隙不均勻;③轉子不平衡;④轉軸彎曲;⑤聯(lián)軸器(皮帶輪)同軸度過低。

2、故障排除①檢修軸承,必要時更換;②調整氣隙,使之均勻;③校正轉子動平衡;④校直轉軸;⑤重新校正,使之符合規(guī)定。

七、軸承過熱

1、故障原因①滑脂過多或過少;②油質不好含有雜質;③軸承與軸頸或端蓋配合不當(過松或過緊);④軸承內孔偏心,與軸相擦;⑤電動機端蓋或軸承蓋未裝平;⑥電動機與負載間聯(lián)軸器未校正,或皮帶過緊;⑦軸承間隙過大或過小;⑧電動機軸彎曲。

2、故障排除①按規(guī)定加潤滑脂(容積的1/3-2/3);②更換清潔的潤滑滑脂;③過松可用粘結劑修復,過緊應車,磨軸頸或端蓋內孔,使之適合;④修理軸承蓋,消除擦點;⑤重新裝配;⑥重新校正,調整皮帶張力;⑦更換新軸承;⑧校正電機軸或更換轉子。

八、電動機過熱甚至冒煙

1、故障原因①電源電壓過高;②電源電壓過低,電動機又帶額定負載運行,電流過大使繞組發(fā)熱;③修理拆除繞組時,采用熱拆法不當,燒傷鐵芯;④電動機過載或頻繁起動;⑤電動機缺相,兩相運行;⑥重繞后定于繞組浸漆不充分;⑦環(huán)境溫度高電動機表面污垢多,或通風道堵塞;

2、故障排除①降低電源電壓(如調整供電變壓器分接頭);②提高電源電壓或換粗供電導線;③檢修鐵芯,排除故障;④減載;按規(guī)定次數控制起動;⑤恢復三相運行;⑥采用二次浸漆及真空浸漆工藝;⑦清洗電動機,改善環(huán)境溫度,采用降溫措施。

從伺服系統(tǒng)的三大部件:伺服電機、編碼器、驅動器的各自發(fā)展來看,交流伺服電機還會是主流。電機本身將向高性能、高功率密度的方向發(fā)展。在相同功率輸出的條件下,電機本身的體積將會越來越小。如1.5KW以下的小功率AC伺服電機的體積現(xiàn)已只有原先傳統(tǒng)的三相感應電機的1/10左右。這主要得益于電機制造技術本身的不斷提高。如:高性能的磁性材料的采用,定子分割法工藝的集中繞組高密度繞線的采用,定子疊片的粘結工藝的采用。磁路的不斷優(yōu)化設計和熱解析技術的應用使得電機的冷卻性能也得到了不斷提高。

與此同時,由于各種行業(yè)的特殊需求,伺服電機也會從通用的FA行業(yè)轉向差異化,定向設計的道路。如免維修、無塵、防爆、無轉矩脈動超高或超低額定轉速微小型化,電機內部直接裝有制動器、減速機、滾珠絲杠、聯(lián)軸節(jié)、轉矩溫度傳感器,編碼器甚至驅動控制器的 ALL IN ONE一體化的伺服功能部件。

事實上,在傳統(tǒng)的FA行業(yè)以外,特別是在家電、汽車電子、紡織、航空電子、機械等行業(yè),各種直流無刷伺服電機已經得到了廣泛和大量的應用。傳統(tǒng)意義上的帶換向器的直流伺服電機正在被這種直流無刷的伺服電機所取代。尤其在微小功率的應用范圍,它有無可替代的低成本、小體積、高可靠性(通常無需光電編碼器反饋),可干電池供電等優(yōu)越性。所以其實際使用數量將是非常可觀的。

對于反饋的編碼器部件來說,其發(fā)展主要還在于小型化、低成本、高分辨率、 高可靠性、網絡化、高響應、省接線、絕對值編碼等方向。從結構上來講,為了降低成本,日系的主流伺服電機所用編碼器都已從整體式變?yōu)榉蛛x式。為了提高分離式編碼器的可靠性,從安裝方式上作了改進,已溶入電機的后軸承支承座的一體化設計。由于正弦波內插技術的采用,分辨率得到了很大的提高,從早期的210已發(fā)展到224-228 /每轉。這對于提高伺服電機的低速控制的穩(wěn)定性 減少低速脈動有很大幫助。但對于提高位置控制的精度沒有直接效果。當然也有采用類似于螺距補償一樣的軟件補償,可以提高單圈的物理分辨率,從而實際提高定位控制的精度。這在分度轉臺機器人控制的使用中,可得到有效作用。也正是由于內插接技術的應用,使得旋轉編碼器也將會在嚴酷環(huán)境中的高精度伺服控制中得到更廣泛的應用。已有224/每轉分辨率的旋轉編碼器在伺服電機上的使用情況。編碼器串行通訊省線制的方式,其通訊頻率還只能限于10M以下。隨著伺服控制的高分辨率、高精度、高響應的要求日益增強,編碼器通訊頻率的提高也將會是一個主要方向。

最后,對于伺服驅動控制器來說,其發(fā)展方向借助于IT產業(yè)技術的發(fā)展,將會有更令人耳目一新的感覺。看一下如今的手機照相機等,其豐富多彩的各種功能不難想象有很多功能都是可以借鑒和移植到伺服驅動控制器上來的。

已有國內的企業(yè)將WIFI的無線通訊技術用到了伺服控制的參數寫入 調整運行的監(jiān)控等方面。USB的通訊技術觸摸屏顯示控制技術,現(xiàn)已經得到了應用。針對下一代的伺服驅動器的研發(fā),已有不少企業(yè)正在考慮采用新一代手機所用的CPU和實時操作系統(tǒng)技術。大家都知道的傻瓜照相機技術,利用它外行人也能拍出很漂亮的照片。那么相信下一代的伺服驅動器一定也會帶有這種一鍵自整定的功能,伺服的應用會變得越來越普及。因為其調整調試非常方便。若客戶實在搞不定,就可以通過WIFI 讓生產廠家的售后服務人員遙控診斷并解決。

從交流伺服電機的矢量控制技術本身來說已日趨完善普及。從實時操作系統(tǒng)的角度來看,它只是需要實時響應處理的一個功能模塊。由于控制器的多功能、智能化要求,大量的信號處理,適應控制需要的各種數學模型的建立與運行,網絡通訊等各個功能模塊將會在實時操作系統(tǒng)的統(tǒng)一調度和管理下得到正確可靠的運行。

因此,下一代的伺服驅動控制器將會是一個集各種現(xiàn)代控制技術之大成的結晶,而并非是傳統(tǒng)意義上的功率放大器。