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通用型与脉冲型伺服驱动器的区别

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通用型与脉冲型伺服驱动器的区别

发布日期:2019-01-07 作者: 点击:

通用型与脉冲型伺服驱动器的区别

  伺服驱动器

  伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制摩臣2的一种控制器,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,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对摩臣2进行控制,实现高精度的传动系统定位,目前是传动技术的高端产品。

  伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分,被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否,对于整个伺服控制系统,特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 。

  在伺服驱动器速度闭环中,电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡,一般采用增量式光电编码器作为测速传感器,与其对应的常用测速方法为M/T测速法。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围,但这种方法有其固有的缺陷,主要包括:1)测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲,限制了最低可测转速;2)用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步,在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能 。

  工作原理

  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,实现数字化、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摩臣2。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。

  随着伺服系统的大规模应用,伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题,越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

  伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分,被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否,对于整个伺服控制系统,特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

  基本要求

  伺服进给系统的要求

  1、调速范围宽

  2、定位精度高

  3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性

  4、快速响应,无超调

  为了保证生产率和加工质量,除了要求有较高的定位精度外,还要求有良好的快速响应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快,因为数控系统在启动、制动时,要求加、减加速度足够大,缩短进给系统的过渡过程时间,减小轮廓过渡误差。

  5、低速大转矩,过载能力强

  一般来说,伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力,在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。

  6、可靠性高

  要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好,具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。

  对电机的要求

  1、从最低速到最高速电机都能平稳运转,转矩波动要小,尤其在低速如0.1r/min或更低速时,仍有平稳的速度而无爬行现象。

  2、电机应具有大的较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的要求。一般直流摩臣2要求在数分钟内过载4~6倍而不损坏。

  3、为了满足快速响应的要求,电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩,并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

  4、电机应能承受频繁启、制动和反转。

  测试平台

  目前,伺服驱动器的测试平台主要有以下几种:采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台、采用可调模拟负载的测试平台、采用有执行电机而没有负载的测试平台、采用执行电机拖动固有负载的测试平台和采用在线测试方法的测试平台 。

  1采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台

  这种测试系统由四部分组成,分别是三相PWM整流器、被测伺服驱动器—电动机系统、负载伺服驱动器—电动机系统及上位机,其中两台电动机通过联轴器互相连接。被测电动机工作于电动状态,负载电动机工作于发电状态。被测伺服驱动器—电动机系统工作于速度闭环状态,用来控制整个测试平台的转速,负载伺服驱动器—电动机系统工作于转矩闭环状态,通过控制负载电动机的电流来改变负载电动机的转矩大小,模拟被测电机的负载变化,这样互馈对拖测试平台可以实现速度和转矩的灵活调节,完成各种试验功能测试。上位机用于监控整个系统的运行,根据试验要求向两台伺服驱动器发出控制指令,同时接收它们的运行数据,并对数据进行保存、分析与显示。 [2]

  对于这种测试系统,采用高性能的矢量控制方式对被测电动机和负载设备分别进行速度和转矩控制,即可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能,完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但由于使用了两套伺服驱动器—电动机系统,所以这种测试系统体积庞大,不能满足便携式的要求,而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

  2采用可调模拟负载的测试平台

  这种测试系统由三部分组成,分别是被测伺服驱动器—电动机系统、可调模拟负载及上位机。可调模拟负载如磁粉制动器、电力测功机等,它和被测电动机同轴相连。上位机和数据采集卡通过控制可调模拟负载来控制负载转矩,同时采集伺服系统的运行数据,并对数据进行保存、分析与显示。对于这种测试系统,通过对可调模拟负载进行控制,也可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能,完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但这种测试系统体积仍然比较大,不能满足便携式的要求,而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

  3采用有执行电机而没有负载的测试平台

  这种测试系统由两部分组成,分别是被测伺服驱动器—电动机系统和上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器,伺服驱动器按照指令开始运行。在运行过程中,上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据,并对数据进行保存、分析与显示。由于这种测试系统中电机不带负载,所以与前面两种测试系统相比,该系统体积相对减小,而且系统的测量和控制电路也比较简单,但是这也使得该系统不能模拟伺服驱动器的实际运行情况。通常情况下,此类测试系统仅用于被测系统在空载情况下的转速和角位移的测试,而不能对伺服驱动器进行全面而准确的测试。

  4采用执行电机拖动固有负载的测试平台

  这种测试系统由三部分组成,分别是被测伺服驱动器—电动机系统、系统固有负载及上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器,伺服系统按照指令开始运行。在运行过程中,上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据,并对数据进行保存、分析与显示。

  对于这种测试系统,负载采用被测系统的固有负载,因此测试过程贴近于伺服驱动器的实际工作情况,测试结果比较准确。但由于有的被测系统的固有负载不方便从装备上移走,因此测试过程只能在装备上进行,不是很方便。

  5采用在线测试方法的测试平台

  这种测试系统只有数据采集系统和数据处理单元。数字采集系统将伺服驱动器在装备中的实时运行状态信号进行采集和调理,然后送给数据处理单元供其进行处理和分析,最终由数据处理单元做出测试结论。由于采用在线测试方法,因此这种测试系统结构比较简单,而且不用将伺服驱动器从装备中分离出来,使测试更加便利。此类测试系统完全根据伺服驱动器在实际运行中进行测试,因此测试结论更加贴近实际情况。但是由于许多伺服驱动器在制造和装配方面的特点,此类测试系统中的各种传感器及信号测量元件的安装位置很难选择。而且装备中的其它部分如果出现故障,也会给伺服驱动器的工作状态造成不良影响,最终影响其测试结果。

  通用型与脉冲型伺服驱动器的区别

  伺服驱动器的种类有很多,主要可分为通用型与脉冲型,那么通用型与脉冲型的伺服驱动器有什么区别?

  通用型伺服驱动器可以接收模拟量电压进行外部速度控制与转让矩控制,还可以接收脉冲进行位置控制,脉冲型的伺服驱动器没有模拟量接收电路,只有脉冲接收口电路,价格上便宜一点。

  传统电机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电机系统,其中较有自己特点。

  伺服驱动器可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服驱动器如果因为负载过大,而产生惯性,这样的情况多是走过头了。点动指令是走不准的,特别是用点动回原点,那是大错特错。点动的开停是一个完全的90度直角,启停相当于急刹车,想想也是停不住的了,所以回原点一定还是要用回原点指令。

  通用伺服的厂家比较

  伺服系统(servomechanism)又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。

  在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角),其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统最初用于国防军工, 如火炮的控制, 船舰、飞机的自动驾驶,导弹发射等,后来逐渐推广到国民经济的许多部门,如自动机床、无线跟踪控制等。

  乘着运动控制如火如荼的发展趋势,中国通用伺服市场表现不俗。

  2017年第二季度,松下、三菱、台达、汇川二季度业绩同比增长超过30%;安川、埃斯顿等厂商业绩二季度业绩增长超过20%;西门子等厂商二季度业绩同比增长超过10%。

  漂亮的销售数字背后,离不开国家政策红利持续推动制造业升温、iphone8相关生产设备升级、锂电池生产设备及太阳能加工设备增加的巨大市场。在伺服需求同比大幅增长的情况下,欧美系、日系、国产等各家厂商的通用伺服产品也表现出较强的行业偏好。

  在细分行业中,各大厂商Q2表现:

  电子制造行业

  细分来看,3C相关的设备伺服需求上涨;锂电池相关设备和太阳能后端加工设备伺服需求增长。在这个方面,松下、三菱、西门子、罗克韦尔、汇川、施耐德、埃斯顿增长幅度皆在15%以上;整体而言,电子制造行业涨幅稳居第一。

  2.机床行业

  手机周边等3C相关小型精密加工机床增长非常强劲,加工中心和复合车铣等金切机床等增长次之。安川、台达、埃斯顿在该行业业绩同比增长大于15%;机床行业市场表现增幅稳步增长。

  3.机械手及机器人周边

  2017年中国已变成工业机器人第一大市场,相关市场需求快速增长。汇川、台达、松下搭乘“中国制造2025”的大船,相关行业增长幅度较大。其中,汇川以稳定的质量和服务该领域取得了优秀的成绩。

  4.纸巾机械伺服

  包装机械伺服需求保持稳定增长;需特别指出的是,国内由于二胎政策和人口老龄化等因素促进纸巾机械增长。使得罗克韦尔自动化在纸巾机械、包装机械等行业增长幅度为两位数。

  5.出口纺织机械伺服

  德系汽车厂需求微幅下滑,纺织机械需求在Q2内微幅增长。在这个方面,埃斯顿相关产品表现仍然保持强劲,Lenze微幅增长。

  各大伺服“新宠”哪家强?

  欧系品牌如西门子、施耐德等,性能好,稳定性强,同时由于技术路线与日系产品不同,成本较高。为了拓展国内市场,也在不断进行伺服系统的本地化研发,外资品牌的“本地化”已经炉火纯青了。代表:西门子最新发布的SINAMICS V90伺服系统。

  日本厂家倾向于在易用性方面下功夫,使得交流伺服系统就像步进电机那么方便易用,达到所谓的即插即用(Plug and Work)。三菱、安川、松下皆有特色产品。

  通用型与脉冲型伺服驱动器的区别

  代表:松下AC摩臣2和驱动器。其MINAS A6家族,更小、更快、使用更简单。适应时代需求的摩臣2。实现了高速和高精度响应的摩臣2/驱动器,适用于半导体制造装置与机器人。

  日本安川近几年重点推广的直线电机结构简单,适合高速直线运动。初级绕组利用率高, 无横向边缘效应, 容易克服单边磁拉力问题。易于调节和控制, 适应性强、高加速度。

  国内驱动器厂家研究较多,推出商品化产品的有上海鸣志、北京清能德创、深圳大族电机、深圳步科等。对于国内厂家而言,不仅要在整体方案上体现更好的性能,也要继续发挥较强的服务优势,提升客户体验。最为重要的是,编码器、减速器、伺服机等核心零部件的自主研发要积极践行,提高伺服系统的电机动态响应、过载能力、效率等综合性能。

  代表:台达重磅推出高性能运动控制型高阶交流伺服系统ASDA-A3系列。该系列产品以其极速、精准、平稳、高效、节能的技术优势,ASDA-A3系列具有3kHz速度响应频宽,较台达ASDA-A2系列提升达3倍,从而使命令追随更及时。

  用户体验

  国内目前还是处于电机本体自己做,编码器外购的阶段。安川已经做到自己定制编码器,使电机的体积更小,结构更简单。西门子的伺服用量也挺大的,可靠的设备用西门子、罗克韦尔自动化的居多。西门子电机设计余量大,结实耐用。

  由Q2季度各大厂商在各细分行业表现可知:一线伺服系统厂商,不断刷新伺服的技术和性能标准,并在长期的应用实践中形成了各自的行业积累。二季度政策红利持续,推动制造业升温;分销商备货意愿增强,中间库存同比大幅增长;iphone8相关生产设备、锂电池生产设备及太阳能加工设备伺服需求同比大幅增长,带动松下、安川、台达、汇川等厂商出货同比增加。

  国内生产的专用摩臣2居多;国内伺服大部分厂家出于成本考虑,偏向日系设计。日系电机的零配件也相对能够找到,非常好配型。不足之处则是中国在驱动器、编码器、运动控制器等配套方面技术不够。从长远计,应着重发展相关技术领域。

  延伸阅读:伺服通俗解读 ——你真懂真理解伺服系统吗?

  关于伺服、伺服驱动器、摩臣2、伺服系统,随便拿出去问,百分之九十九的人都是不熟悉不清楚不了解的,我想,就算是与伺服相关的工作人员,数控自动化等工控领域的技术人才,大多也觉得对伺服‘一知半解’。我接触过很多伺服从业人员,销售公司的业务、技术人员,数控自动化系统开发的电工、技术人员、工程师,乃至伺服品牌本身个岗位领域的人才,其中包括技术工程师。要说真的理解很深刻,还是感觉不明显。

  当然,毫无疑问,对于本岗位本工作信息乃至技术,他们都是相当专业的,比如销售人员,对于自销伺服类比、系列、型号,选型、乃至技术特点,没谁比他熟悉;比如售前技术工程师,对于每款伺服的特性、参数设置特点,乃至调试经验,尤其是资深工程师,绝对是专业专家级。

  但是,作为一个骨灰级电子爱好者,一位长期接触过不少各式各样电子产品,专业从事过高至某著名通信品牌基站通信设备维修,以及如今从事变频、伺服、工控机、工控屏维修的电子产品维修人员,每每接触到都能读到,他们对伺服技术、性能、参数乃至故障原因,等等一些认知和理解伺服的渴求,接触经销商、代理商,他们最大的渴求和希望,就是我们能够提供他们技术支持,当然不是设备损坏的维修技术。

  不难理解,他们技术支持工程师,每每出去,总是指不定遇到如何刁钻,如何离奇古怪的技术问题,系统调试难题,而且,基本时间都相当紧迫(客户大多都久攻不下、电话咨询尝试尽了想得到的种种方案可能)。

  伺服驱动器伺服系统是好的,装上去却不能按预计的方案工作,三百多项的伺服内部调试参数和上位机编程等等多个系统相辅相成的配合工作这,只要找不出原因结症所在,问题就不能得到有效的解决。期待我们这些专攻电子技术、电路特性原理,乃至修复解决伺服故障的从业人员,能够给个深刻的解读方案、一种思路、一个灵感,就选得相当自然,和从分需求了。

  没错,作为维修人员,对伺服系统的硬件技术的确比较熟悉,由于这是智能系统,也往往可以根据故障特性对参数设置,有另一层面的认识和理解,这是自然的。当然,术有专攻,资深才能认知到位理解深刻,这是自然的规律。

  好了,闲话少说,得照照题,题目是‘伺服通俗解读’。要很好照应题目,我想还要花些口舌,说些基础、常识。

  伺服是什么?其实,伺服就是一个电机,和控制这个电机的驱动器。电机就叫摩臣2,驱动器自然叫伺服驱动器,‘伺服’源自于控制,精确控制的代名词。——很显然,为了控制电机,精确控制电机,专门研发出“伺服”这样的一种系统。到此,可能很多人会奇怪:控制个电机为什么要做个这么复杂的系统呢?

  这不得不引入电机应用、原理以及发展的一些信息了。

  电机,是运用电磁原理,通电线圈在磁场环境产生作用力作用而转动的一种电子产品。

  电子根据应用发展有直流电机、交流电机;

  直流又分有刷、无刷电机之分,主要是因为有刷电机必须定期更换碳刷,维护麻烦人类设计出刷电机;

  交流电机又分单相、三相、同步、异步等。电机是蒸汽机、内燃机外产生运动必须的载体,所以根据各自各样的应用和工作要求,早期人类就设计出了如此多的电机品种和类别,各有各的特长和优点,所以存在的相当长的一段时间,不过它们的固有缺点与特性,日渐不能满足人类的需求,比如,所有电机的速度都不易控制,即使以控制速度见长的直流电机,要想准恒定定在某个转速上还是很难很难的;又如,由电磁原理我们不难发现,电机线圈通常是铜等低阻抗的材质组成,那么通电瞬间电流是可以很大很大的,磁场对线圈的作用力跟这个通过的电流密切先关,只有在电机转起来转速恒定,感抗恒定才使得电机的通电电流恒定,经验表明,启动瞬间电机的电流是电机正常工作电流的5~10倍,而且,电机在低于3倍的电流之下,启动乏力。这是电机至今的固有特点缺点,至此,我们也不难明白,通电中的电机一旦发生堵转(通俗说就是掐死不动了),通电电流对其可是灾难性的。同时我们也不难明白,相对于传动系统来说,电机启动瞬间的扭力可是具有很大破坏力的,因为跟正常工作状态时的扭力差距太大。

  因此,人们一直以来都在着力研究电机的速度和扭力控制问题。后来,人们在变频技术上得到突破,开发了变频驱动器,它在一定程度上可以控制三相电机的数度,而且也一定程度缓解了电机启动瞬间的扭力和转动加速度问题。如今我们日常使用的升降电梯速度可变,和上产中的自动扶梯速度可变,基本都是运用变频技术。变频技术就是利用逆变技术控制电机的三相供电频率电流可变,从而达到一定程度地控制电机在某个速度下恒定的目的。技术的关键点在于变频器内可编程芯片(我们俗称CPU)内部的算法,所以变频器本身有许多参数供用户在特定场合应用时调节合适的算法补偿。

  伺服,就是在变频的技术上发展出来的更进一步产品,其通过电机屁股上安装编码器反馈信息,驱动器内部的CPU再结合这个反馈信息生成控制三相电流输出的脉冲,从而实现摩臣2的精确控制。伺服驱动器的“使能”,其实就是启动一个设计好的三相电机动力电源的脉冲,使电机悬停在停止和转动之间,那么这个既解决了电机启动瞬间缺点所带来的问题,也使得能伺服驱动器在接收到外界“电机转动”指令使电机迅速转动。那么,伺服内部的众多参数,不过就是分门类别地根据伺服应用在各种各样各式的运用场合下,配合上位机、配合机械机床、配合特定的瞬态、力度的修补调整。

  我想,太专业的术语,外行人看不懂,行内人好像术语都明白都懂,却想象不出其究竟是如何体现表现的。

  那么,伺服系统,我们可以借助公司财务来理解,老板通常只会去跟财务人员说“我要分什么报表”、“我要什么收支情况”、“我要出差安排”等等等等,财务部就根据公司内部的一切信息方法进行计算,得出老板所需要的答案。伺服系统就是这么样的一个系统。




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关键词:伺服驱动器,伺服驱动器,伺服驱动器

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