伺服電機控製方式有脈衝(chong) 、模擬量和通訊控製這三種,在不同的應用場景下,該如何確定選擇伺服電機控製方式?
1、伺服電機脈衝(chong) 控製方式
在一些小型單機設備,選用脈衝(chong) 控製實現電機的定位,應該是最常見的應用方式,這種控製方式簡單,易於(yu) 理解。基本的控製思路:脈衝(chong) 總量確定電機位移,脈衝(chong) 頻率確定電機速度。選用了脈衝(chong) 來實現伺服電機的控製,翻開伺服電機的使用手冊(ce) ,一般會(hui) 有如下這樣的表格:
都是脈衝(chong) 控製,但是實現方式並不一樣:
第一種,驅動器接收兩(liang) 路(A、B路)高速脈衝(chong) ,通過兩(liang) 路脈衝(chong) 的相位差,確定電機的旋轉方向。如上圖中,如果B相比A相快90度,為(wei) 正轉;那麽(me) B相比A相慢90度,則為(wei) 反轉。運行時,這種控製的兩(liang) 相脈衝(chong) 為(wei) 交替狀,因此我們(men) 也叫這樣的控製方式為(wei) 差分控製。具有差分的特點,那也說明了這種控製方式,控製脈衝(chong) 具有更高的抗幹擾能力,在一些幹擾較強的應用場景,優(you) 先選用這種方式。但是這種方式一個(ge) 電機軸需要占用兩(liang) 路高速脈衝(chong) 端口,對高速脈衝(chong) 口緊張的情況,比較尷尬。
第二種,驅動器依然接收兩(liang) 路高速脈衝(chong) ,但是兩(liang) 路高速脈衝(chong) 並不同時存在,一路脈衝(chong) 處於(yu) 輸出狀態時,另一路必須處於(yu) 無效狀態。選用這種控製方式時,一定要確保在同一時刻隻有一路脈衝(chong) 的輸出。兩(liang) 路脈衝(chong) ,一路輸出為(wei) 正方向運行,另一路為(wei) 負方向運行。和上麵的情況一樣,這種方式也是一個(ge) 電機軸需要占用兩(liang) 路高速脈衝(chong) 端口。
第三種,隻需要給驅動器一路脈衝(chong) 信號,電機正反向運行由一路方向IO信號確定。這種控製方式控製更加簡單,高速脈衝(chong) 口資源占用也最少。在一般的小型係統中,可以優(you) 先選用這種方式。
2、伺服電機模擬量控製方式
在需要使用伺服電機實現速度控製的應用場景,我們(men) 可以選用模擬量來實現電機的速度控製,模擬量的值決(jue) 定了電機的運行速度。模擬量有兩(liang) 種方式可以選擇,電流或電壓。電壓方式,隻需要在控製信號端加入一定大小的電壓即可。實現簡單,在有些場景使用一個(ge) 電位器即可實現控製。但選用電壓作為(wei) 控製信號,在環境複雜的場景,電壓容易被幹擾,造成控製不穩定;電流方式,需要對應的電流輸出模塊。但電流信號抗幹擾能力強,可以使用在複雜的場景。
3、伺服電機通信控製方式
采用通信方式實現伺服電機控製的常見方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信的方式來對電機控製,是目前一些複雜、大係統應用場景首選的控製方式。采用通信方式,係統的大小、電機軸的多少都易於(yu) 裁剪,沒有複雜的控製接線。搭建的係統具有極高的靈活性。
伺服電機的速度控製和轉矩控製都是用模擬量來控製的。位置控製是通過發脈衝(chong) 來控製的。具體(ti) 采用什麽(me) 控製方式要根據客戶的要求,滿足何種運動功能來選擇。如果您對電機的速度、位置都沒有要求,隻要輸出一個(ge) 恒轉矩,當然是用轉矩模式。
如果對位置和速度有一定的精度要求,而對實時轉矩不是很關(guan) 心,用轉矩模式不太方便,用速度或位置模式比較好。如果上位控製器有比較好的閉環控製功能,用速度控製效果會(hui) 好一點。如果本身要求不是很高,或者,基本沒有實時性的要求,用位置控製方式對上位控製器沒有很高的要求。
就伺服驅動器的響應速度來看,轉矩模式運算量最小,驅動器對控製信號的響應最快;位置模式運算量最大,驅動器對控製信號的響應最慢。
對運動中的動態性能有比較高的要求時,需要實時對電機進行調整。那麽(me) 如果控製器本身的運算速度很慢(比如PLC,或低端運動控製器),就用位置方式控製。如果控製器運算速度比較快,可以用速度方式,把位置環從(cong) 驅動器移到控製器上,減少驅動器的工作量,提高效率(比如大部分中高端運動控製器);如果有更好的上位控製器,還可以用轉矩方式控製,把速度環也從(cong) 驅動器上移開,這一般隻是高端專(zhuan) 用控製器才能這麽(me) 幹,而且,這時完全不需要使用伺服電機。
一般說驅動器控製得好不好,每個(ge) 廠家的都說自己做的最好,但是現在有個(ge) 比較直觀的比較方式叫響應帶寬。當轉矩控製或者速度控製時通過脈衝(chong) 發生器給他一個(ge) 方波信號,使電機不斷的正轉、反轉,不斷的調高頻率,示波器上顯示的是個(ge) 掃頻信號,當包絡線的頂點到達最高值的70.7%時表示已經失步,此時的頻率的高低,就能顯示出誰的產(chan) 品牛了,一般的電流環能作到1000Hz以上,而速度環隻能作到幾十赫茲(zi) 。
換一種比較專(zhuan) 業(ye) 的說法:
1、伺服電機轉矩控製
轉矩控製方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小,具體(ti) 表現為(wei) 例如10V對應5Nm的話,當外部模擬量設定為(wei) 5V時電機軸輸出為(wei) 2.5Nm:如果電機軸負載低於(yu) 2.5Nm時電機正轉,外部負載等於(yu) 2.5Nm時電機不轉,大於(yu) 2.5Nm時電機反轉(通常在有重力負載情況下產(chan) 生)。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。
應用主要在對材質的受力有嚴(yan) 格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會(hui) 隨著纏繞半徑的變化而改變。
2、伺服電機位置控製:
置控製模式一般是通過外部輸入的脈衝(chong) 的頻率來確定轉動速度的大小,通過脈衝(chong) 的個(ge) 數來確定轉動的角度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由於(yu) 位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yan) 格的控製,所以一般應用於(yu) 定位裝置。應用領域如數控機床、印刷機械等等。
3 、伺服電機速度模式:
過模擬量的輸入或脈衝(chong) 的頻率都可以進行轉動速度的控製,在有上位控製裝置的外環PID控製時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器隻檢測電機轉速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了,這樣的優(you) 點在於(yu) 可以減少中間傳(chuan) 動過程中的誤差,增加了整個(ge) 係統的定位精度。
4、談談3環
伺服一般為(wei) 三個(ge) 環控製,所謂三環就是3個(ge) 閉環負反饋PID調節係統。最內(nei) 的PID環就是電流環,此環完全在伺服驅動器內(nei) 部進行,通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流,負反饋給電流的設定進行PID調節,從(cong) 而達到輸出電流盡量接近等於(yu) 設定電流,電流環就是控製電機轉矩的,所以在轉矩模式下驅動器的運算最小,動態響應最快。
第2環是速度環,通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節,它的環內(nei) PID輸出直接就是電流環的設定,所以速度環控製時就包含了速度環和電流環,換句話說任何模式都必須使用電流環,電流環是控製的根本,在速度和位置控製的同時係統實際也在進行電流(轉矩)的控製以達到對速度和位置的相應控製。
第3環是位置環,它是最外環,可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控製器和電機編碼器或最終負載間構建要根據實際情況來定。由於(yu) 位置控製環內(nei) 部輸出就是速度環的設定,位置控製模式下係統進行了所有3個(ge) 環的運算,此時的係統運算量最大,動態響應速度也最慢。