伺服驱动器的问与答 交流伺服电动机应用趋势
2015-12-18
浏览量 1725
交流伺服驱动器别名：伺服驱动器，伺服电机驱动器，伺服马达驱动器，全数字交流伺服驱动器，Servo drive Servo motor。
关于伺服的应用：首先得确定你应用在什么场合。如果用在机床上，则控制部分硬件可以设计得相对简单一些，成本也相应低些。如果用于军工，则内部固件设计时控制算法应该更灵活，比如提供位置环滤波、速度环滤波、非线性、最优化或智能化算法。当然不需要在一个硬件部分上实现。可以面向对象做成几种类型的产品。
交流伺服在加工中心、自动车床、电动注塑机、机械手、印刷机、包装机、弹簧机、三坐标测量仪、电火花加工机等等方面的设备有广阔的应用。
关于步进电机和交流伺服电机的性能有较大差别。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。如：1、控制精度不同；2、低频特性不同 3、矩频特性不同 4、过载能力不同 5、运行性能不同 6、速度响应性能不同。
交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
有关伺服零点开关的问题：找零的方法有很多种，可根据所要求的精度及实际要求来选择。可以伺服电机自身完成（有些品牌伺服电机有完整的回原点功能），也可通过上位机配合伺服完成，但回原点的原理基本上常见的有以下几种。
一、伺服电机寻找原点时，当碰到原点开关时，马上减速停止，以此点为原点。
二、回原点时直接寻找编码器的Z相信号，当有Z相信号时，马上减速停止。这种回原方法一般只应用在旋转轴，且回原速度不高，精度也不高。
同步带的安装对伺服定位也有很大影响吗？这个情况，得知道伺服是不是调得很软？常见伺服是用脉冲控制的，那么，位置环的比例增益，速度环比例增益、积分时间常数分别是多少？
位置环比例增益：21rad/s
速度环比例增益：105rad/s
速度环积分时间常数：84ms
关于伺服的三种控制方式,一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的?
速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
换一种说法是：
1、转矩控制：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，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。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。
应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
2、位置控制：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，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。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。
应用领域如数控机床、印刷机械等等。
3、速度模式：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，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
怎样判断伺服电机与伺服驱动器的故障区别？
看驱动器上的错误、报警号，然后查手册。如果连报警都没有了，那自然就是驱动器故障，当然，还有可能是根本伺服就没有故障，而是控制信号错误导致伺服没有动作。
除了看驱动器上的错误、报警号，然后查手册外，有时最直接判断方法是更换，如X与Z轴伺服换（型号相同才可以）。或修改参数，如把X轴锁住，不让系统检测X轴
但应注意：X轴与Z轴互换，即使型号相同，进口设备也可能因为负载不同、参数不同而产生问题。当然，如果是国产设备，通常不会针对使用情况调整伺服参数，一般不会有问题。但应注意X轴与Z轴电机功率转矩是否相同、电机丝杆是否直联以及电子齿轮减速比方面事宜。
关于交流伺服电机的几个问题：
问（A）：交流同步伺服、交流异步伺服的额定转速与极数是否有关？n1=60f/2p？额定转速以下输出恒转矩，额定转速以上恒功率，那么额定转速的界定是由电机本身的机械决定还是驱动器来决定？
有关，同步转速n1=60f/2p，异步机还有滑差s，n=(1-s)n1，同步机n=n1，2p为极对数。控制中弱磁速度的界定是由驱动器判断的。
额定转速可以由几个方面决定：同步伺服的反电势高低、电机铁心材料允许的驱动电流交变频率、额定转矩下电机的最大功率、最高温升等，最主要还是反电势；异步电机主要受材料允许的最高频率以及极对数限制。
额定转速的界定由电机本身的机械和电器特性来决定。
问（B）：交、直流伺服的区分是否取决于驱动器与电机间的电流或电压的形式？但直流无刷伺服的电流方向也变化？是否可以理解为交流？交流伺服是否是以直流无刷伺服的原理为基础演变的？
答：交流伺服通常指以正弦波驱动方式的伺服，无刷驱动相当于整流子数为6（7）的有刷直流电机的控制精度，一般低速特性较差。商业上也有称他为交流伺服，仅因为他甩掉了电刷，但特性恐怕比好的交流伺服、直流伺服有差距，10000倍的调速比无刷电机绝难达到。
直流无刷马达其实是自控式永磁同步马达的一种，不过是矩形波供电，而通常说的永磁同步马达是正弦波供电的。之所以说是“直流电机”，主要考虑到无刷马达的控制器相当于直流有刷马达的电刷和换向器，实现“电子换向”，从直流母线侧看相当于直流电机。
直流伺服用于直流电机，不是直流无刷电机；直流无刷电机与交流伺服电机其实是一回事，就是交流同步电机（交流永磁同步伺服电机）。
问（C）：电机的极对数？
答：n1=60*f/2p
p一般表示电机的极对数数，2p是极数。
1对极包括N极和S极，极数当然是极对数的两倍。
同步电机机械转速=60*运行频率/极对数；
异步电机机械转速=60*运行频率*（1-滑差率）/极对数
交流伺服电动机应用趋势
自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。
交直流伺服电机系统
下面从功率驱动、性能、保护电路等方面，叙述其和直流伺服电机系统的不同特点。
功率驱动
对于在雷达上经常使用的直流伺服系统的驱动电动机功率放大部分，当天线重量轻，转速慢，驱动功率较小时，一般为几十瓦，可以直接用直流电源控制电动机。当驱动功率要求在近千瓦或千瓦以上时，选择驱动方案，也即放大直流电动机的电枢电流，就是设计伺服系统的重要部分。大功率直流电源目前采用较多的有:晶体管功放、晶闸管功放和电机放大机等等。对于千瓦级的晶体管功放使用的较少。可控硅技术在上世纪60～70年代初得到快速的发展和广泛的应用，但因当时的各方面原因，如可靠性等，不少产品放弃了可控硅控制。目前的集成驱动模块一般都为晶体管或晶闸管制造。电机放大机是传统的直流伺服电机的功放装置，因其控制简单，结实耐用，目前的新型号的雷达产品上仍有采用。下面主要以放大电机为例，和交流伺服电机比较其优缺点。
放大电机常称为扩大机，一般是用交流异步感应电动机拖动串联的两级直流发电机组，以此来实现直流控制。两组控制绕组，每组的输入阻抗为几千欧，若串接使用输入阻抗约10千欧，一般为互补平衡对称输入，当系统输入不为零时打破其平衡，使放大电机有输出信号。当输入电流为十几到几十毫安时其输出可达100v以上的直流电压和几安到几十安的电流，直接接到直流伺服电机的电枢绕组上。其主要缺点是体积重量大，非线性度，尤其在零点附近不是很好，这对于要求高的系统需要仔细处理。
而交流伺服电机都配有专门的驱动器，它在体积和重量上远小于同功率的放大电机，它靠内部的晶体管或晶闸管组成的开关电路，根据伺服电机内的光电编码器或霍尔器件判断转子当时的位置，决定驱动电机的a、b、c三相应输出的状态，因此它的效率和平稳性都很好。所以不像控制放大电机需要做专门的功放电路。这种电机一般都为永磁式的，驱动器产生的a、b、c三相变化的电流控制电机转动，因此称为交流伺服电机;驱动器输入的控制信号可以是脉冲串，也可以是直流电压信号（一般为±10v），所以也有将其称为直流无刷电动机。
两种电机的简单试验比较
对两种电机作过简单的试验比较:只要将系统原先的直流误差信号直接接入交流伺服驱动器的模拟控制输入端，用交流伺服电机和它的驱动器代替原先的差分功放、电机放大机和直流伺服电机，而控制部分和测角元件等均不变，简单比较两种方案的输出特性。
原先的直流伺服电机，额定电压为100v，额定转速为3000r/min，空载启动电压为2v，空载时，当其输入电压为1 v电机不转，输入电压为2～2.5v时，眼睛可观察到电机转速不匀，这是因为碳刷、油封等以及力矩角引起的不可避免的现象。而交流伺服电机因为无碳刷使其摩擦力小，还因为霍尔器件的存在而使其电磁力始终垂直于旋转半径（这既是所谓的正弦控制），从而其低速性能明显优于前者。当时将其转速放在很低，用肉眼很难分辨电机的转动，只能通过它自己的软件界面观察指示的电枢位置在转动，也观察不到爬行现象发生，用手也感觉不到有特性软的现象，原先直流系统低速要求为0.1°/s，若用交流电机估计低速至少可到0.01°/s。采用交流伺服系统，是对低速性能要求高的系统最为简单可行的方法。
交流伺服电机的输出特性画法也和直流伺服电机完全不同，它不是负斜率的一组直线，而是几乎画成矩形。这也说明了输出特性硬，速度范围宽。
安全保护
较大天线伺服系统的保护应是一个重要的设计环节，因为一旦失控，可能引起重大的设备损坏或人身事故。国外有些雷达在这方面有十种左右的保护措施，如某些系统的门打开后将使伺服电机不能启动等。
过流过载保护电路的敏感元件最好设计在靠近电机的直接控制部分，但这里的电流很大，使设计有一定的困难。常用的熔断器、热继电器等器件，往往因其升温到动作完成须有一定的时间，使其对瞬间就损坏设备的故障不能起到保护作用。例如曾经因某型号雷达跟随器的运放失效而使电容充电时间加长，平常还不容易发现此类故障，从而使测角元件双通道电感移相器的粗精纠错部分出错，因此输出的天线角度值叠加了一个粗大误差，（粗精比为1:32，粗大误差为11°15′）并反复出现，称之为“跳大点”。因系统的开环增益在两千倍以上，当随动系统判断到这个大失调角时，以最大的加速度达到最大的速度，去追赶这个失调角，从而使电机高速旋转时突然判断反转，这不但很容易引起永磁电机退磁使性能降低，当时还使减速机彻底损坏，但是这时熔断器、热继电器等无一动作。现在采用数字计算机可以较容易的判断这类现象，但因干扰、通讯等原因，不能将此类宝完全押在计算机上。而交流伺服电机，数据处理芯片安装在驱动器内，驱动器的i/o口都经过光耦隔离，因此可靠性好;并有许多现成可用的功能方便使用，如力矩电流限制，速度限制，加速度限制等等。
直流电机的额定过载线，如果不外接专门的限制断路器件，则额定线仅仅是在图上画出的，传递函数中并无此饱和线，顶多也就是超过此线后线性度可能有所降低。而交流电机的额定过载线却是实实在在的存在，一旦超过此线则系统立即停止。因此，一来可靠的保护了系统不会损坏，二来设计时要注意这个区别，尤其是不能随便停机的系统，电机的功率要有足够的余量。
控制方法
采用交流伺服电机，可以使控制部分的设计简单，也可以容易的代替原先系统的驱动电机部分。系统构成典型的方法是:
上位机如pc机、plc、嵌入机等;随动系统中主要用于调试系统，以及完成系统通讯，信号采集等其他任务，控制任务可以放在上位机内，也可放在控制器中;
多轴控制器，一般可控制2至8个轴，可构成方位、俯仰、横滚等轴的控制，对于单轴控制，常使用带控制器的驱动器，可省去这一项;
驱动器，多为专用的，和电机配套出售;
电动机。
总之，采用这种方案，可以省去许多硬件电路和软件计算编程工作，实现模块化，提高了可靠性和可维修性。
各种型号的控制器都有各自的语言，也可以用visual basic等熟悉的环境来编制用户程序。设计有各种各样的软件模块以方便使用。如控制模式:pid调节、直线及圆弧插补、电子齿轮、比例转换、前馈控制、再生电阻等等，鲁棒性能好。它们多数是为像生产线或数控机床这样的程序控制系统而设计的。对于位置跟踪的随动系统，虽然许多功能用不上，但也可以模拟输入功能或力矩控制模式，方便的将驱动器和电机插入原有的伺服系统，代替直流伺服电机，也可以直接用数字信号，采用点动模式工作。这种电机系统一般都带有几个滤波器，包括相位滞后补偿滤波器、速度反馈滤波器和陷波滤波器，用于伺服调节时使用。有些型号电机的滤波器需要可选的硬件支持。
