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伺服系統(tǒng)

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  • 發(fā)布時間:2014/11/14 20:43:55
  • 作者:銀河電氣
定義
伺服(Servo)一詞源自希臘的 “Servus”,意為“奴隸”。伺服是運動控制系統(tǒng)中的重要術(shù)語,指運動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)像奴隸一樣,跟隨外部指令忠實的執(zhí)行人們所期望的運動,運動要素主要包括位置、速度、加速度和力矩或扭矩。
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伺服系統(tǒng)概述

  伺服(Servo)一詞源自希臘的 “Servus”,意為“奴隸”。伺服是運動控制系統(tǒng)中的重要術(shù)語,指運動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)像奴隸一樣,跟隨外部指令忠實的執(zhí)行人們所期望的運動,運動要素主要包括位置、速度、加速度和力矩或扭矩。

“伺服”一詞源自古希臘的“seruvs”,意為奴隸。

  伺服系統(tǒng)隨動系統(tǒng)的一種,當被控量是位置或位置的導數(shù)(速度、加速度)時,隨動系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)。

  GB/T 16439 2009交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件相關(guān)定義

  交流伺服系統(tǒng)(AC sevo system)

  以交流伺服電動機作為執(zhí)行元件,使物體的位置/角度、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)變量能夠跟隨輸入控制信號目標值(或給定值)任意變化的自動控制系統(tǒng)。

  交流伺服系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機和傳感三個部分組成。

  交流伺服驅(qū)動器按其控制電路和軟件的實現(xiàn)方式可分為模擬量控制、數(shù)字模擬混合控制和全數(shù)字化控制。

  交流伺服系統(tǒng)按其所用的電動機可分為:異步電動機伺服系統(tǒng)和永磁同步電動機伺服系統(tǒng)。

  交流伺服控制系統(tǒng)按照控制方式可分為位置控制伺服系統(tǒng)、速度控制伺服系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩控制伺服系統(tǒng)。


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伺服系統(tǒng)構(gòu)成

  伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器,和伺服電機及相關(guān)傳感測試裝置構(gòu)成,圖1為伺服控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成原理。

伺服系統(tǒng)典型構(gòu)成

圖1.伺服系統(tǒng)典型構(gòu)成

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伺服系統(tǒng)主要技術(shù)指標

1、正反轉(zhuǎn)速差率

  伺服系統(tǒng)在額定電壓空載運行,不改變轉(zhuǎn)速指令的量值,僅改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向,測量電動機的正、反兩方向的轉(zhuǎn)速平均值n_ccw和n_cw,按式(1)計算正反轉(zhuǎn)速差率K_n。
  K_n=(|n_cw-n_ccw |)/(n_cw+n_ccw )×100%…………(1)
  式中:
  K_n——正反轉(zhuǎn)速差率;
  n_cw——電動機順時針旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速平均值,r/min;
  n_ccw——電動機逆時針旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速平均值,r/min;

2、轉(zhuǎn)速調(diào)整率

  伺服系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速條件下,僅電源電壓變化,或僅環(huán)境溫度變化,或僅負載變化,電動機的平均轉(zhuǎn)速變化值與額定轉(zhuǎn)速的百分比分別叫做電壓變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率、溫度變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率、負載變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率。按式(2)計算轉(zhuǎn)速調(diào)整率。

  ?n= (|n_i-n_N |)/n_N ×100%   i=1,2…………(2)

  ?n——轉(zhuǎn)速調(diào)整率;
  n_i——電動機的實際轉(zhuǎn)速,r/min;
  n_N——電動機的額定轉(zhuǎn)速,r/min;

3、轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)

  伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,對電動機施加恒定負載,瞬時轉(zhuǎn)矩的最大值為T_max,最小是為T_min,則轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)K_fT為:

  K_fT=(T_max-T_min)/(T_max-T_min )×100%…………(3)

  式中:

  K_fT——轉(zhuǎn)矩波動系數(shù);

  T_max——瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最大值,N?m;

  T_min——瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最小值,N?m。

3、轉(zhuǎn)速波動系數(shù)

  伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,瞬時轉(zhuǎn)速的最大值為n_max,則轉(zhuǎn)速波動系數(shù)K_fn為:

  K_fn=(n_max-n_min)/(n_max-n_min )×100%…………(4)
  式中:
  K_fn——轉(zhuǎn)速波動系數(shù);
  n_max——瞬時轉(zhuǎn)速的最大值,r/min;
  n_min——瞬時轉(zhuǎn)速的最小值,r/min;

4、伺服系統(tǒng)調(diào)速比

  伺服系統(tǒng)滿足規(guī)定的轉(zhuǎn)速調(diào)整率和規(guī)定的轉(zhuǎn)速波動時的最低空載轉(zhuǎn)速n_min和額定轉(zhuǎn)速n_N之比,用D表示。
  D= n_min/n_N …………(5)
  式中:
  D——調(diào)速比;
  n_min——最低空載轉(zhuǎn)速,r/min;
  n_N——額定轉(zhuǎn)速,r/min;

5、頻帶寬度

  伺服系統(tǒng)輸入量為正弦波,隨著正弦波信號的頻率逐漸升高,對應的輸出量的相位滯后逐漸增大同時幅值逐漸減小,相位滯后增大至90°時或者幅值減小至低頻段幅值1?√2時的頻率。

6、靜態(tài)剛度

  位置伺服系統(tǒng)處于空載零速工作狀態(tài),對電動機軸端正轉(zhuǎn)方向和反轉(zhuǎn)方向施加連續(xù)轉(zhuǎn)矩T0,測量出轉(zhuǎn)角的偏移量?θ,則靜態(tài)剛度K_s為;

  K_s=T_0/?θ…………(6)

  式中:

  K_s——靜態(tài)剛度,N?m/(′);

  T_0——連續(xù)轉(zhuǎn)矩,N?m;

  ?θ——轉(zhuǎn)角的偏移量,(′)。

7、慣量適應范圍

  伺服系統(tǒng)在不影響自身穩(wěn)定性和調(diào)速比的前提下所能帶的慣量負載的范圍(一般以電動機的轉(zhuǎn)子慣量的倍數(shù)表示)。

8、動態(tài)位置跟蹤誤差

  伺服系統(tǒng)對輸入信號的瞬態(tài)響應過程中,位置指令值與位置反饋值之差。

9、系統(tǒng)效率

  電動機的輸出機械功率與驅(qū)動器的輸入有功功率之比。

  【參考資料】GB/T 16439 2009交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件
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伺服電機與步進電機的區(qū)別
  步進電機是一種離散運動的裝置,廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。

  為了適應數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在給定方式上非常相似(如:脈沖信號或數(shù)字設定),但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。

伺服系統(tǒng)

  注:由于伺服電機一般需要與伺服控制器一起構(gòu)成系統(tǒng),以下對比中所述的伺服電機的相關(guān)性能,均與控制器有關(guān)。

1、伺服電機的控制精度優(yōu)于步進電機

  兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°,某些高性能的步進電機步距角可達0.09°;德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°。 

  伺服電機的控制精度取決于旋轉(zhuǎn)編碼器。以采用四倍頻技術(shù)的2500線編碼器的電機而言,其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于17位編碼器的伺服電機而言,即其脈沖當量為360°/131072≈0.003°(約10″)。

2、伺服電機低速特性優(yōu)于步進電機

  步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。伺服電機在低速時仍能平穩(wěn)運行。

3、伺服電機的矩頻特性優(yōu)于步進電機

  步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降,所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi),可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制,在額定轉(zhuǎn)速以上實現(xiàn)恒功率控制。

4、伺服電機的過載能力優(yōu)于步進電機

  步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的超速或過轉(zhuǎn)矩能力。其最大轉(zhuǎn)矩可達到額定轉(zhuǎn)矩的三倍甚至更高。

5、伺服電機的運行性能優(yōu)于步進電機

  步進電機一般采用開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象;停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。伺服電機一般采用閉環(huán)控制,驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),不會出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象,控制性能更為可靠。

6、伺服電機響應速度優(yōu)于步進電機

  步進電機從靜止到額定轉(zhuǎn)速(一般幾百轉(zhuǎn)每分)一般需要幾百毫秒。交流伺服電機從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速(如:3000轉(zhuǎn)每分)僅需幾毫秒。

  綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。然而,對于要求不高的伺服系統(tǒng),也可以作為選用步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)。


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