文档介绍：第三章伺服驱动技术
第一节伺服驱动的概述
伺服驱动技术是机电一体化的一种关键技术,在机电设备中具有重要的地位,高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展,伺服驱动技术也取得了极大的进步,伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。 近几年,国内的工业自动化领域呈现出飞速发展的态势,国外的先进技术迅速得到引入和普及化地推广,其中作为驱动方面的重要代表产品已被广大用户所接受,在机器革新中起到了至关重要的作用。精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美地实现机器的高效自动化,这两方面也成为伺服发展的重要指标。
伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。磁性材料中,特别是永磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期,伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。在全数字控制方式下,伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。通过这些功能算法的应用,使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。
一、伺服驱动的概念
“伺服”一词源于希腊语“奴隶”,英语“Servo”。在伺服驱动方面,我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根据信号的大小、方向,即在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;当信号消失,转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能,因此而得名——伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够以一定的准确度跟随输入信号量(或给定值)的任意变化的自动控制系统,用来自动、连续、精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,又称随动系统或自动跟踪系统。在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
伺服系统是机电一体化系统或产品中的重要组成部分,最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的控制等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的:
①以小功率指令信号去控制大功率负载,火炮控制和船舵控制就是典型的例子;
②在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动;
③使输出机械位移精确地跟踪电信号,如记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽,由系统频率响应特性来规定,反映伺服系统跟踪的快速性。带宽越大,快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构惯性的限制。惯性越大,带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15Hz,大型设备伺服系统的带宽则在1~2Hz以下。自20世纪70年代以来,由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机,使伺服系统实现了直接驱动,革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素,使带宽达到50Hz,并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此,在伺服系统中必须采用高精度的测量元件,如精密电位器、自整角机和旋转变压器等。此外,也可以采取附加措施来提高系统的精度,例如将测量元件(如自整角机)的测量轴通过减速器与转轴相连,使转轴的转角得到放大,来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道,直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
二、伺服驱动的分类
伺服驱动类型很多,这里从不同的角度列举以下几种。
按被控量不同,机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
从系统结构特点来看,伺服系统又可分为开环控制伺服系统、半闭环控制伺服系统和闭环控制伺服系统。
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响,即不带反馈装置的控制系统,其驱动元件主要是步进电机,如图3-1所示。在这种控制系统中,不依赖将被控量反馈以形成任何闭环回路。同时,机构比较简单,易于控制,工作可靠,容易掌握使用,但精度差,低速不平稳,高速扭矩小,适用于中、小型精度要求不高的机电一体化设备中或经济型系统中,如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。
图3-1 开环控制系统
半闭环控制系统(Semi-closed loop control system)是在伺服电机轴上安装位置检测装置,如在伺服电机的尾部装上编码器或测速发电机,分别检测移动部件