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伺服電動(dòng)缸控制方式簡(jiǎn)介

2022-03-07 16:44:02 1187

伺 服 電 動(dòng) 缸 是 將 伺 服 電 機 與 絲 杠 一 體 化 設 計 的 模 塊 化 產(chǎn) 品 ,將 伺 服 電 機的 旋 轉 運 動(dòng) 轉 換 成 直 線(xiàn) 運 動(dòng) , 同 時(shí) 將 伺 服 電 機 最 佳 優(yōu) 點(diǎn) : 精 確 轉 速 控 制 , 精確 轉 數 控 制 , 精 確 扭 矩 控 制 轉 變 成 精 確 速 度 控 制 , 精 確 位 置 控 制 , 精 確 推 力控 制 ; 實(shí) 現 高 精 度 直 線(xiàn) 運 動(dòng) 系 列 的 全 新 革 命 性 產(chǎn) 品 。

一 般 伺 服 都 有 三 種 控 制 方 式 : 速 度 控 制 方 式 , 轉 矩 控 制 方 式 , 位 置 控 制方 式 。

速 度 控 制 和 轉 矩 控 制 都 是 用 模 擬 量 來(lái) 控 制 的 。位 置 控 制 是 通 過(guò) 發(fā) 脈 沖 來(lái)控 制 的 。 具 體 采 用 什 么 控 制 方 式 要 根 據 客 戶(hù) 的 要 求 , 滿(mǎn) 足 何 種 運 動(dòng) 功 能 來(lái) 選擇 。

如 果 您 對 電 機 的 速 度 、 位 置 都 沒(méi) 有 要 求 , 只 要 輸 出 一 個(gè) 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(shí) 時(shí) 轉 矩 不 是 很 關(guān) 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 制 器 有 比 較 好 的 閉環(huán) 控 制 功 能 , 用 速 度 控 制 效 果 會(huì ) 好 一 點(diǎn) 。 如 果 本 身 要 求 不 是 很 高 , 或 者 , 基本 沒(méi) 有 實(shí) 時(shí) 性 的 要 求 , 用 位 置 控 制 方 式 對 上 位 控 制 器 沒(méi) 有 很 高 的 要 求 。就 伺 服 驅 動(dòng) 器 的 響 應 速 度 來(lái) 看 , 轉 矩 模 式 運 算 量 最 小 , 驅 動(dòng) 器 對 控 制 信 號 的響 應 最 快 ; 位 置 模 式 運 算 量 最 大 , 驅 動(dòng) 器 對 控 制 信 號 的 響 應 最 慢 。

對 運 動(dòng) 中 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 有 比 較 高 的 要 求 時(shí) , 需 要 實(shí) 時(shí) 對 電 機 進(jìn) 行 調 整 。那么 如 果 控 制 器 本 身 的 運 算 速 度 很 慢( 比 如 PLC ,或 低 端 運 動(dòng) 控 制 器 ),就 用 位置 方 式 控 制 。 如 果 控 制 器 運 算 速 度 比 較 快 , 可 以 用 速 度 方 式 , 把 位 置 環(huán) 從 驅動(dòng) 器 移 到 控 制 器 上 , 減 少 驅 動(dòng) 器 的 工 作 量 , 提 高 效 率 ( 比 如 大 部 分 中 高 端 運動(dòng) 控 制 器 );如 果 有 更 好 的 上 位 控 制 器 ,還 可 以 用 轉 矩 方 式 控 制 ,把 速 度 環(huán) 也從 驅 動(dòng) 器 上 移 開(kāi) , 這 一 般 只 是 高 端 專(zhuān) 用 控 制 器 才 能 這 么 干 , 而 且 , 這 時(shí) 完 全不 需 要 使 用 伺 服 電 機 。

換 一 種 說(shuō) 法 是 :

1、 轉 矩 控 制 : 轉 矩 控 制 方 式 是 通 過(guò) 外 部 模 擬 量 的 輸 入 或 直 接 的 地 址 的 賦值 來(lái) 設 定 電 機 軸 對 外 的 輸 出 轉 矩 的 大 小 ,具 體 表 現 為 例 如 10V 對 應 5Nm 的 話(huà) ,當 外 部 模 擬 量 設 定 為 5V 時(shí) 電 機 軸 輸 出 為 2.5Nm: 如 果 電 機 軸 負 載 低 于 2.5Nm時(shí) 電 機 正 轉 , 外 部 負 載 等 于 2.5Nm 時(shí) 電 機 不 轉 , 大 于 2.5Nm 時(shí) 電 機 反 轉 ( 通常 在 有 重 力 負 載 情 況 下 產(chǎn) 生 )???以 通 過(guò) 即 時(shí) 的 改 變 模 擬 量 的 設 定 來(lái) 改 變 設 定的 力 矩 大 小 , 也 可 通 過(guò) 通 訊 方 式 改 變 對 應 的 地 址 的 數 值 來(lái) 實(shí) 現 。 應 用 主 要 在對 材 質(zhì) 的 受 力 有 嚴 格 要 求 的 纏 繞 和 放 卷 的 裝 置 中 , 例 如 饒 線(xiàn) 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(shí) 更 改 以 確 保 材 質(zhì) 的 受 力 不 會(huì ) 隨著(zhù) 纏 繞 半 徑 的 變 化 而 改 變 。

2、 位 置 控 制 : 位 置 控 制 模 式 一 般 是 通 過(guò) 外 部 輸 入 的 脈 沖 的 頻 率 來(lái) 確 定 轉動(dòng) 速 度 的 大 小 , 通 過(guò) 脈 沖 的 個(gè) 數 來(lái) 確 定 轉 動(dòng) 的 角 度 , 也 有 些 伺 服 可 以 通 過(guò) 通訊 方 式 直 接 對 速 度 和 位 移 進(jìn) 行 賦 值 。 由 于 位 置 模 式 可 以 對 速 度 和 位 置 都 有 很?chē)?格 的 控 制 , 所 以 一 般 應 用 于 定 位 裝 置 。 應 用 領(lǐng) 域 如 數 控 機 床 、 印 刷 機 械 等等 。

3、 速 度 模 式 : 通 過(guò) 模 擬 量 的 輸 入 或 脈 沖 的 頻 率 都 可 以 進(jìn) 行 轉 動(dòng) 速 度 的 控制 , 在 有 上 位 控 制 裝 置 的 外 環(huán) PID 控 制 時(shí) 速 度 模 式 也 可 以 進(jìn) 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(huán) 檢 測 位 置 信 號 , 此 時(shí) 的 電 機 軸 端 的 編 碼 器 只 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(lái) 提 供 了 , 這 樣 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于可 以 減 少 中 間 傳 動(dòng) 過(guò) 程 中 的 誤 差 , 增 加 了 整 個(gè) 系 統 的 定 位 精 度 。

談 談 三 環(huán) 控 制 :

伺 服 電 機 一 般 為 三 個(gè) 環(huán) 控 制 , 所 謂 三 環(huán) 就 是 3 個(gè) 閉 環(huán) 負 反 饋 PID 調 節 系統 。

最 內 的 PID 環(huán) 就 是 電 流 環(huán) , 此 環(huán) 完 全 在 伺 服 驅 動(dòng) 器 內 部 進(jìn) 行 , 通 過(guò) 霍 爾裝 置 檢 測 驅 動(dòng) 器 給 電 機 的 各 相 的 輸 出 電 流 , 負 反 饋 給 電 流 的 設 定 進(jìn) 行 PID 調節 ,從 而 達 到 輸 出 電 流 盡 量 接 近 等 于 設 定 電 流 ,電 流 環(huán) 就 是 控 制 電 機 轉 矩 的 ,所 以 在 轉 矩 模 式 下 驅 動(dòng) 器 的 運 算 最 小 , 動(dòng) 態(tài) 響 應 最 快 。

第 2 環(huán) 是 速 度 環(huán) ,通 過(guò) 檢 測 的 電 機 編 碼 器 的 信 號 來(lái) 進(jìn) 行 負 反 饋 PID 調 節 ,它 的 環(huán) 內 PID 輸 出 直 接 就 是 電 流 環(huán) 的 設 定 , 所 以 速 度 環(huán) 控 制 時(shí) 就 包 含 了 速 度環(huán) 和 電 流 環(huán) , 換 句 話(huà) 說(shuō) 任 何 模 式 都 必 須 使 用 電 流 環(huán) , 電 流 環(huán) 是 控 制 的 根 本 ,在 速 度 和 位 置 控 制 的 同 時(shí) 系 統 實(shí) 際 也 在 進(jìn) 行 電 流 ( 轉 矩 ) 的 控 制 以 達 到 對 速度 和 位 置 的 相 應 控 制 。

第 3 環(huán) 是 位 置 環(huán) , 它 是 最 外 環(huán) , 可 以 在 驅 動(dòng) 器 和 電 機 編 碼 器 間 構 建 也 可以 在 外 部 控 制 器 和 電 機 編 碼 器 或 最 終 負 載 間 構 建 , 要 根 據 實(shí) 際 情 況 來(lái) 定 。 由于 位 置 控 制 環(huán) 內 部 輸 出 就 是 速 度 環(huán) 的 設 定 , 位 置 控 制 模 式 下 系 統 進(jìn) 行 了 所 有3 個(gè) 環(huán) 的 運 算 , 此 時(shí) 的 系 統 運 算 量 最 大 , 動(dòng) 態(tài) 響 應 速 度 也 最 慢 。

運 動(dòng) 伺 服 一 般 都 是 三 環(huán) 控 制 系 統 , 從 內 到 外 依 次 是 電 流 環(huán) 速 度 環(huán) 位 置 環(huán) 。

1、 首 先 電 流 環(huán) : 電 流 環(huán) 的 輸 入 是 速 度 環(huán) PID 調 節 后 的 那 個(gè) 輸 出 , 我 們 稱(chēng)為 “電 流 環(huán) 給 定 ”吧 ,然 后 呢 就 是 電 流 環(huán) 的 這 個(gè) 給 定 和 “電 流 環(huán) 的 反 饋 ”值 進(jìn)行 比 較 后 的 差 值 在 電 流 環(huán) 內 做 PID 調 節 輸 出 給 電 機 , “電 流 環(huán) 的 輸 出 ”就 是電 機 的 每 相 的 相 電 流 , “電 流 環(huán) 的 反 饋 ”不 是 編 碼 器 的 反 饋 而 是 在 驅 動(dòng) 器 內部 安 裝 在 每 相 的 霍 爾 元 件 ( 磁 場(chǎng) 感 應 變 為 電 流 電 壓 信 號 ) 反 饋 給 電 流 環(huán) 的 。

2、速 度 環(huán) :速 度 環(huán) 的 輸 入 就 是 位 置 環(huán) PID 調 節 后 的 輸 出 以 及 位 置 設 定 的前 饋 值 ,我 們 稱(chēng) 為 “速 度 設 定 ”,這 個(gè) “速 度 設 定 ”和 “速 度 環(huán) 反 饋 ”值 進(jìn) 行比 較 后 的 差 值 在 速 度 環(huán) 做 PID 調 節 ( 主 要 是 比 例 增 益 和 積 分 處 理 ) 后 輸 出 就是 上 面 講 到 的 “電 流 環(huán) 的 給 定 ”。 速 度 環(huán) 的 反 饋 來(lái) 自 于 編 碼 器 的 反 饋 后 的 值經(jīng) 過(guò) “速 度 運 算 器 ”得 到 的 。

3、 位 置 環(huán) :位 置 環(huán) 的 輸 入 就 是 外 部 的 脈 沖 ( 通 常 情 況 下 ,直 接 寫(xiě) 數 據 到驅 動(dòng) 器 地 址 的 伺 服 例 外 ),外 部 的 脈 沖 經(jīng) 過(guò) 平 滑 濾 波 處 理 和 電 子 齒 輪 計 算 后 作為 “位 置 環(huán) 的 設 定 ”, 設 定 和 來(lái) 自 編 碼 器 反 饋 的 脈 沖 信 號 經(jīng) 過(guò) 偏 差 計 數 器 的計 算 后 的 數 值 在 經(jīng) 過(guò) 位 置 環(huán) 的 PID 調 節 ( 比 例 增 益 調 節 , 無(wú) 積 分 微 分 環(huán) 節 )后 輸 出 和 位 置 給 定 的 前 饋 信 號 的 合 值 就 構 成 了 上 面 講 的 速 度 環(huán) 的 給 定 。 位 置環(huán) 的 反 饋 也 來(lái) 自 于 編 碼 器 。

編 碼 器 安 裝 于 伺 服 電 機 尾 部 , 它 和 電 流 環(huán) 沒(méi) 有 任 何 聯(lián) 系 , 他 采 樣 來(lái) 自 于電 機 的 轉 動(dòng) 而 不 是 電 機 電 流 , 和 電 流 環(huán) 的 輸 入 、 輸 出 、 反 饋 沒(méi) 有 任 何 聯(lián) 系 。而 電 流 環(huán) 是 在 驅 動(dòng) 器 內 部 形 成 的 , 即 使 沒(méi) 有 電 機 , 只 要 在 每 相 上 安 裝 模 擬 負載 ( 例 如 電 燈 泡 ) 電 流 環(huán) 就 能 形 成 反 饋 工 作 。

談 談 PID 各 自 對 差 值 調 節 對 系 統 的 影 響 :

1、 單 獨 的 P( 比 例 ) 就 是 將 差 值 進(jìn) 行 成 比 例 的 運 算 , 它 的 顯 著(zhù) 特 點(diǎn) 就 是有 差 調 節 , 有 差 的 意 義 就 是 調 節 過(guò) 程 結 束 后 , 被 調 量 不 可 能 與 設 定 值 準 確 相等 , 它 們 之 間 一 定 有 殘 差 , 殘 差 具 體 值 您 可 以 通 過(guò) 比 例 關(guān) 系 計 算 出 。。。 增 加比 例 將 會(huì ) 有 效 減 小 殘 差 并 增 加 系 統 響 應 , 但 容 易 導 致 系 統 激 烈 震 蕩 甚 至 不 穩定 。

2、 單 獨 的 I ( 積 分 ) 就 是 使 調 節 器 的 輸 出 信 號 的 變 化 速 度 與 差 值 信 號 成正 比 , 大 家 不 難 理 解 , 如 果 差 值 大 , 則 積 分 環(huán) 節 的 變 化 速 度 大 , 這 個(gè) 環(huán) 節 的正 比 常 數 的 比 例 倒 數 我 們 在 伺 服 系 統 里 通 常 叫 它 為 積 分 時(shí) 間 常 數 , 積 分 時(shí) 間常 數 越 小 意 味 著(zhù) 系 統 的 變 化 速 度 越 快 , 所 以 同 樣 如 果 增 大 積 分 速 度 ( 也 就 是減 小 積 分 時(shí) 間 常 數 ) 將 會(huì ) 降 低 控 制 系 統 的 穩 定 程 度 , 直 到 最 后 出 現 發(fā) 散 的 震蕩 過(guò) 程 ,。。。 這 個(gè) 環(huán) 節 最 大 的 好 處 就 是 被 調 量 最 后 是 沒(méi) 有 殘 差 的 。

3、 PI( 比 例 積 分 )就 是 綜 合 P 和 I 的 優(yōu) 點(diǎn) ,利 用 P 調 節 快 速 抵 消 干 擾 的影 響 , 同 時(shí) 利 用 I 調 節 消 除 殘 差 。

4、 單 獨 的 D( 微 分 ) 就 是 根 據 差 值 的 方 向 和 大 小 進(jìn) 行 調 節 的 , 調 節 器 的輸 出 與 差 值 對 于 時(shí) 間 的 導 數 成 正 比 , 微 分 環(huán) 節 只 能 起 到 輔 助 的 調 節 作 用 , 它可 以 與 其 他 調 節 結 合 成 PD 和 PID 調 節 。。。它 的 好 處 是 可 以 根 據 被 調 節 量( 差值 ) 的 變 化 速 度 來(lái) 進(jìn) 行 調 節 , 而 不 要 等 到 出 現 了 很 大 的 偏 差 后 才 開(kāi) 始 動(dòng) 作 ,其 實(shí) 就 是 賦 予 了 調 節 器 以 某 種 程 度 上 的 預 見(jiàn) 性 , 可 以 增 加 系 統 對 微 小 變 化 的響 應 特 性 。

伺 服 的 電 流 環(huán) 的 PID 常 數 一 般 都 是 在 驅 動(dòng) 器 內 部 設 定 好 的 , 操 作 使 用 者 不 需要 更 改 。

速 度 環(huán) 主 要 進(jìn) 行 PI ( 比 例 和 積 分 ), 比 例 就 是 增 益 , 所 以 我 們 要 對 速 度增 益 和 速 度 積 分 時(shí) 間 常 數 進(jìn) 行 合 適 的 調 節 才 能 達 到 理 想 效 果 。

位 置 環(huán) 主 要 進(jìn) 行 P( 比 例 ) 調 節 。。。 對 此 我 們 只 要 設 定 位 置 環(huán) 的 比 例 增益 就 好 了 。

位 置 環(huán) 、 速 度 環(huán) 的 參 數 調 節 沒(méi) 有 什 么 固 定 的 數 值 , 要 根 據 外 部 負 載 的 機械 傳 動(dòng) 連 接 方 式 、 負 載 的 運 動(dòng) 方 式 、 負 載 慣 量 、 對 速 度 、 加 速 度 要 求 以 及 電機 本 身 的 轉 子 慣 量 和 輸 出 慣 量 等 等 很 多 條 件 來(lái) 決 定 , 調 節 的 簡(jiǎn) 單 方 法 是 在 根據 外 部 負 載 的 情 況 進(jìn) 行 大 體 經(jīng) 驗 的 范 圍 內 將 增 益 參 數 從 小 往 大 調 , 積 分 時(shí) 間常 數 從 大 往 小 調 , 以 不 出 現 震 動(dòng) 超 調 的 穩 態(tài) 值 為 最 佳 值 進(jìn) 行 設 定 。

當 進(jìn) 行 位 置 模 式 需 要 調 節 位 置 環(huán) 時(shí) , 最 好 先 調 節 速 度 環(huán) ( 此 時(shí) 位 置 環(huán) 的比 例 增 益 設 定 在 經(jīng) 驗 值 的 最 小 值 ), 調 節 速 度 環(huán) 穩 定 后 , 在 調 節 位 置 環(huán) 增 益 ,適 量 逐 步 增 加 , 位 置 環(huán) 的 響 應 最 好 比 速 度 環(huán) 慢 一 點(diǎn) , 不 然 也 容 易 出 現 速 度 震蕩 。

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