伺服电机原理

伺服应用原理，电机种类和过程控制方式总结笔记。 什么是伺服？“以物体的位置、方位、姿势等作为控制量，为跟踪目标的任何变化而构建的控制系统”

伺服电机原理

• 什么是伺服？
  • “以物体的位置、方位、姿势等作为控制量，为跟踪目标的任何变化而构建的控制系统”
• 机构组成
  • 伺服电机常带有可检测旋转角度、速度和方向的编码器，它可将检测信息反馈给伺服放大器（控制部）。
  • 指令部
    • 发出动作的指令信号。
  • 控制部
    • 使电机等按照指令运行。
  • 驱动、检测部
    • 驱动控制对象，对其运行状态进行检测。
• 种类
  • SM（同步）型AC伺服电机
    • 结构
    • 特点
      • 优点
        • 无需维护。
        • 环境适应能力强。
        • 可输出大转矩。
        • 停电时可进行发电制动。
        • 小型、轻量。
        • 功率变化率大。
      • 缺点
        • 伺服放大器比DC电机用的略微复杂。
        • 电机与伺服放大器必须- -对一-使用。
        • 永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱。
  • IM（感应）型AC伺服电机
    • 结构
    • 特点
      • 优点
        • 无需维护
        • 环境适应能力强。
        • 可输出高速、大转矩。
        • 大容量机型效率高。
      • 缺点
        • 小容量机型的低效率伺服放大器比DC电机用
        • 的略微复杂。
        • 停电时不能发电制动。
        • 特性随温度而波动。
  • DC伺服电机
    • 结构
    • 特点
      • 优点
        • 伺服放大器结构简单。
        • 停电时可进行发电制动。
        • 小容量机型价格低。
      • 缺点
        • 必须对整流子部位进行维护和定期检查。
        • 因DC伺服电机会产生电刷粉末，故不能用于
        • 有洁净要求的环境。
        • 因电刷的缘故，不适于高速、大转矩用途。
        • 永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱。
• 编码器
  • 增量编码器( Incremental Encoder)
    • 输出内容
      • 输出相对值（旋转角的变化量输出脉冲）
    • 停止时的应对
      • 接通电源时需要原点复归动作。
    • 价格
      • 结构较简单，价格低。
    • 结构
    • 补充说明
      • 该装置的旋转圆盘上设有很多光学槽，使发光二极管的光通过固定槽，再利用光电二极管检测该光束，并将槽的位置转换为电信号。
  • 绝对编码器( Absolute Encoder)
    • 输出内容
      • 输出绝对值（旋转角度的绝对值）
    • 停止时的应对
      • 接通电源时无需原点复归动作。
    • 价格
      • 结构较复杂，价格高。
    • 结构
    • 补充说明
      • 在电机轴上安装绝对编码器，即可随时检测电机轴的固定位置。由于不需要脉冲计数，故接通电源时无需原点复归动作。
• 原理和构成
  • “比较指令值与当前值，为了缩小该误差”进行反馈控制。反馈控制中，确认机械(控制对象)是否忠实地按照指令进行跟踪，有误差(偏差)时改变控制内容，并将这一过程进行反复控制， 以到达目标。
    • • 控制流程：误差→当前值→误差
        • 有反馈：闭环(CLOSED LOOP)
        • 无反馈：开环(OPEN LOOP)
• 控制环
  • 各环都朝着使指令信号与反馈信号之差为零的目标进行控制。
  • 控制架构
    • • 位置环
        • 根据编码器脉冲生成的位置反馈信号，进行位置控制的环。
      • 速度环
        • 根据编码器脉冲生成的速度反馈信号，进行速度控制的环
      • 电流环
        • 检测伺服放大器的电流，根据生成的电流反馈信号，进行转矩控制的环。
  • 各环响应速度
    • (位置环)<(速度环)<(电流环)
  • 各控制模式使用的环
    • 位置控制模式
      • 位置环、速度环、电流环
    • 速度控制模式
      • 速度环、电流环
    • 转矩控制模式
      • 电流环 （但是，空载状态下必须限制速度）
        • 假设在张力系统中，使用转矩模式控制，拉的物料突然断裂，如果是要保持恒速，此时的速度不可预测，所以要规定速度的最大限制。
• 控制模式
  • 位置控制模式
    • 特点
      • • 机械的移动量与指令脉冲的总数成正比。
        • 机械的速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比。
        • 最终在±1个脉冲的范围内定位即完成，此后只要不改变位置指令，则始终保持在该位置。（伺服锁定功能）
    • 精度
      • 伺服电机每转1圈机械的移动量
      • 伺服电机每转1圈编码器输出的脉冲数
      • 机械系统中的间隙(松动)等误差
  • 速度控制模式
    • 特点
      • 软起动、软停止功能
        • 可调整加减速运动中的加速度（速度变化率），避免加速、减速时的冲击。
      • 速度控制范围宽
        • 可进行从微速到高速的宽范围的速度控制。（1：1000～5000左右）速度控制范围内为恒转矩特性。
      • 速度变化率小
        • 即使负载有变化，也可进行小速度波动的运行。
      • “精细、速度范围宽、速度波动小”的运行
  • 转矩控制模式
    • 控制伺服电机的电流，以达到输出目标转矩的控制。
      • 以收卷控制为例
        • • 进行恒定的张力控制时，由于负载转矩会因收卷滚筒半径的增大而增加，因此，需据此对伺服电机的输出转矩进行控制。
          • 卷绕过程中材料断裂时，将因负载变轻而高速旋转，因此，必须设定速度限制值。

中心主题

• 基础知识
  • 什么是伺服
  • 伺服电机的种类
  • 编码器的种类
  • 伺服的原理和构成
  • 伺服的控制环
• 主题
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