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伺服系统的3种控制及3个环

time:2021-10-14    Author: Smart Star

随动系统又称伺服系统,是一种用于精确跟踪或再现某一过程的反馈控制管理系统,下面一起来更加详细分析了解伺服控制的3个控制工作方式和3个环控制。

伺服系统组成(从上到下)。

控制器:PLC,变频器,运动控制卡等其他控制设备,也称为上位机;

伺服驱动器:沟通上位机和交流伺服驱动电机,作用就是类似于变频器作用于普通交流马达。

伺服电机:执行设备,接受来自驱动器的控制信号;

机械技术设备:将交流伺服电机的圆周运动(或直线电机的直线运动)转换成所需要的运动形式;

各种传感器和继电器:检测工业控制环境下的各种信号,并将其发送给主机或驱动器,作为某些动作的判断标准。


军用伺服电机 尺寸图_02.jpg

伺服控制方式

三种控制管理方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的,位置控制是通过发脉冲来控制的。

如果对电机的速度、位置都没有要求,只要我们输出作为一个恒转矩,当然是用转矩控制模式。

如果对位置和速度有一定的精度可以要求,而对实时控制转矩不是很关心,用速度或位置管理模式发展比较好。

如果上位控制器具有较好的控制功能,速度控制效果会更好。

如果本身要求不是很高,或者基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。


就伺服电机驱动器的响应发展速度方面来看,转矩模式运算量最小,伺服驱动器对控制系统信号的响应时间最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。

  当需要动态性能时,需要对电机进行实时调整。如果控制器本身的运行速度非常慢(如 plc,或低端运动控制器) ,使用位置模式控制。如果控制器的速度很快,则位置环可以以速度的方式从驱动器移动到控制器,这样可以减少伺服驱动器的工作量,提高效率,同时也可以从驱动器中去除速度环,而这通常只有高端专用控制器才能做到。

一般说伺服驱动器进行控制的好坏,有个比较可以直观的比较重要方式,叫响应时间带宽。

  当转矩进行控制或速度可以控制时,通过使用脉冲发生器给它提供一个方波输出信号,使电机技术不断的正转、反转,不断的调高工作频率,示波器上显示的是个扫频信号,当包络线的顶点到达最高值的70.7%时,表示企业已经失步,此时出现频率的高低,就能充分说明内部控制的好坏了,一般采用电流环能做到1000HZ以上,而速度环只能自己做到发展几十赫兹。


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,具体表现为:

例如,10v 相当于5nm,当外部模拟设置为5v 时,电机轴输出为2.5 nm: 如果电机轴负载小于2.5 nm,当外部负载等于2.5 nm 时,电机不转动,电机反转大于2.5 nm (通常在重力负载下)。它可以通过实时改变模拟量的设置来改变力矩的设置,也可以通过通信来改变相应地址的值。

  主要用于对材料应力有严格要求的卷绕和放卷装置,如卷绕装置或光纤拉丝设备。扭矩的设定应根据卷绕半径的变化随时改变,以保证材料的应力不会随着卷绕半径的变化而变化。

速度控制

转速可以通过输入模拟量或脉冲频率来控制,速度模式也可以通过上位控制装置的外环 pid 控制来定位,但电机的位置信号或直接负载的位置信号必须反馈到上位进行计算。

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。
位置控制

位置信息控制管理模式发展一般是通过企业外部数据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,也有些伺服系统可以同时通过网络通讯方式能够直接对速度和位移进行赋值。由于不同位置服务模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以我们一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械设计等等。


伺服3环

伺服驱动电机一般为三个环控制,所谓三环结构就是3个闭环负反馈PID调节管理系统。

最内的PID环就是电流环,此环完全在伺服驱动器内部进行,通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流,负反馈给电流的设定进行PID调节,从而达到输出电流尽量接近等于设定电流,电流环就是控制电机转矩的,所以在转矩模式下驱动器的运算最小,动态响应最快。

第二个环是速度环。负反馈 pid 由电机编码器的信号调节。速度环控制包括速度环和电流环,也就是说,任何模式都必须使用电流环,电流环是基本控制,在速度和位置控制的同时系统实际上是电流(转矩)控制来实现相应的速度和位置控制。

第三个环是位置环,它是最外面的环。根据实际情况,它可以建立在伺服驱动器和电机编码器之间,也可以建立在外部控制器和电机编码器或最终负载之间。由于位置控制回路的内部输出是速度回路的设定,系统在位置控制模式下执行全部三个回路操作,此时系统的操作量最大,动态响应速度最慢。

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