伺服增益有哪些分类和影响?伺服驱动器工作原理及控制方式!
增益可以简单的理解为放大倍数。
伺服增益是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
机械本身的结构对伺服增益的调整有重要影响,如果机械本身的刚性比较好(磨床丝杆传动),伺服的相关增益则可以设置较高。如果机械本身的刚性偏柔(料道同步带),伺服的相关增益则设置的不要太高。
伺服速度、位置增益参数关系及总的调试思路:
伺服驱动器包括三个反馈环节:位置环、速度环、电流环。最内环(电流环)的反应速度最快,中间环节(速度环)的反应速度必须高于最外环(位置环)。如果不遵守此原则,将会造成电机运转的震动或反映不良。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能,故用户只需调整位置位置环、速度环的增益即可。
位置环的反应不能快于速度环的反应。因此,若需增加位置环的增益,必须先增加速度环的增益。如果只增加位置环的增益,电机很可能产生震动,从而将会造成速度指令及定位时间的增加,而非期望的减少。
速度环增益
增大速度环比例增益,则能降低转速脉动的变化量,提高伺服驱动系统的硬度,保证系统稳态及瞬态运行时的性能。但是在实际系统中,速度环比例增益不能过大,否则将引起整个伺服驱动系统振荡。
速度环参数调节与负载惯量的关系
当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比较大,以及负载的摩擦转矩比较大时,宜增大速度环比例增益和速度环积分时间常数,以满足运行稳定性的要求。
当负载对象的转动惯量与电动机的转动惯量之比较小,以及负载的摩擦转矩较小时,宜减小速度环比例增益和速度换积分时间常数,保证低速运行时的速度控制精度。
位置环增益
位置环增益与伺服电机以及机械负载有着密切的联系,通常伺服系统的位置环增益越高,电机速度对于位置指令响应的延时减小,位置跟踪误差愈小,定位所需时间越短,但要求对应的机械系统的刚性与自然频率也必须很高。而且当输入的位置突变时,其输出变化剧烈,机械负载要承受较大的冲击。此时,驱动器必须进行升降速处理或通过上位机用编程措施来缓冲这种变化。
当伺服系统位置环增益相对较小时,调整起来比较方便,因为位置环增益小,伺服系统容易稳定,对大负载对象,调整要简单些。同时,低位置环增益的伺服系统频带叫窄,对噪音不敏感。因此,作为伺服进给用时,位置的微观变化小,但低位置环增益的伺服系统位置跟踪误差较大,进行轮廓加工时,会在轨迹上形成加工误差。
伺服驱动器工作原理和控制方式
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,在主回路中还加入了软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
首先功率驱动单元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交流伺服电机。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。
一般伺服都有三种控制方式:位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
1、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。
2、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,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手里有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如绕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。
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。
如果对电机的速度、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,采用位置控制方式。