伺服电机是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。成本低,结构简单,启动大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
那伺服电机的工作原理是什么呢?
伺服电机的工作原理比较简单,但是其工作比较高效。伺服电路内置在电机单元内部,它使用一根通常配有齿轮的柔性轴。电信号控制电机,也决定轴的移动量。伺服电机内部设置简单:小型直流电机,控制电路和电位器。直流电机通过齿轮连接在控制轮上,当电机转动时,电位器的电阻发生变化,控制电路能够精确调节运动和方向。
当轴处于正确的(理想的)位置时,电机停止供电。如果轴没有停在目标的位置,电动机一直运转,直到进入正确的方向。目标的位置通过使用电脉冲的信号线传送。所以,电机的速度与实际和理想的位置成正比。当电机接近所需位置时,电机开始缓慢转动,但电机转到最远时,转速很快。换句话说,伺服电机只需要尽可能快地完成任务,这使得它们成为高效率的设备。
通常有两种类型的伺服电机:交流电机和直流电机。直流伺服电机是小型应用的理想选择,但不能处理大电流浪涌。然而,交流伺服电机能够应对更高的电流浪涌,并在工业机械中得到广泛的应用。谈到价格,直流电机比交流伺服更便宜,所以用得更多。此外,直流电机专门设计用于连续旋转,这使其成为机器人运动的理想选择。
凭借其独特的功能,伺服电机可以用于许多不同的应用。在无线电控制飞机中,它们用于定位控制表面,如机器人,电梯,方向舵等。在线制造中,伺服电机应用在重复频率高,需要精确的工作中。
伺服电机控制方式
一般伺服电机主要有三种控制方式,即速度控制方式,转矩控制方式和位置控制方式,下面分别对每种控制方式进行详细说明。
1.速度控制方式
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,在有上位机控制装置的外环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机反馈以做运算用。速度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。
2.转矩控制方式
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对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时,电机轴输出为2.5Nm,如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转,外部负载等于2.5Nm时电机不转,大于2.5Nm时电机反转。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定力矩的大小,也可以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受力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。
3.位置控制方式
位置控制方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,也有些伺服驱动器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,应用领域如数控机床、印刷机械等等。
如何选择伺服电机的控制方式呢? 就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大,驱动器对控制信号的响应最慢。
如果您对电机的速度、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,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
如果对运动中的动态性能有比较高的要求时,需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如plc,或低端运动控制器),就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,而且,这时完全不需要使用伺服电机。
好了以上就是伺服电机工作原理与伺服电机控制方式。
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