6 VIII 第一章 产品介绍 第一章 产品介绍 1.1 基础知识 ? 交流伺服驱动装置基本原理 交流伺服驱动装置,由交流伺服驱动单元(以下简称伺服单元)和交流伺服电机(三相永磁同 步伺服电机,以下简称伺服电机)组成。伺服单元把三相交流电整流为直流电(即:AC—DC), 再通过控制功率开关管的开通和关断,在伺服电机的三相定子绕组中产生相位差 120°的近似正弦 波电流(即:DC—AC),该电流在伺服电机里形成旋转磁场,又因伺服电机的转子是采用强抗退 磁的稀土永磁材料制成,伺服电机转子的磁场与旋转磁场相互作用产生电磁转矩驱动伺服电机转子 旋转。流过伺服电机绕组的电流频率越高,伺服电机的转速越快;流过伺服电机绕组的电流幅值越 大,伺服电机输出的转矩(转矩=力×力臂长度)越大。 主回路框图如图 1-1,图中 PG 为编码器。 位置指令 - 速度指令 - + + 整流模块 P+ 控制电路 PWM波驱动 逆变模块 R R S T R N- PG 交 流 伺 M服 3~ 电 动 机 图 1-1 伺服单元主回路框图 ? 交流伺服驱动装置基本结构 伺服单元接受数控系统(CNC)等控制单元(也称为上位机)的速度(或位置)指令,控制伺 服电机绕组电流的频率和大小,使伺服电机转子的转速(或转角)接近速度(或位置)指令值,并 通过编码器的反馈信号来获得伺服电机转子转速(或转角)实际值与指令值的偏差,伺服单元不断 调整伺服电机绕组电流的频率和大小,使得伺服电机转子转速(或转角)实际值与指令值的偏差控 制在要求的范围内。伺服系统的基本结构如下图 1-2 所示。 数控装置 给定 + - 控制单元 功率驱动单元 电机 反馈检测 交流伺服驱动装置 图 1-2 交流伺服驱动装置的基本结构 传动机械 1 GS2000T、GS3000T 系列交流伺服驱动单元 使用手册 ? 控制的通用概念 ? 控制:使对象(如:伺服电机)的特性(如:转速)达到或接近预期值的过程称为控制, 前述的对象称为被控对象,被控对象的特性称为被控量,实现控制的装置称为控制单元 (控制器),控制单元接收的被控量的预期值(指令值)称为给定,被控量作为控制器的 输入进而影响被控量的过程称为反馈,检测被控量的装置称为反馈装置。按被控量与给定 对控制器输出变化的方向划分,反馈分为正反馈(方向相同)和负反馈(方向相反)。实 现被控量控制的控制器、被控对象及反馈装置构成控制单元,按有、无反馈装置以及反馈 单元在驱动装置中的位置,驱动装置分为闭环控制、开环控制,本书介绍的闭环控制均为 负反馈的闭环控制。 在本书介绍的交流伺服驱动装置中,伺服单元是控制器,伺服电机是被控对象,电 机转速(或转子的转角)为被控量,伺服电机的编码器是反馈装置,编码器检测电机的实 际转速用于速度控制实现了速度反馈。因此,交流伺服驱动装置属于闭环控制。 ? 开环控制:控制系统中没有反馈装置,被控量的实际值不影响控制器的输出。如:步进电 机驱动装置,步进电机伺服单元输出电流相序变化后,步进电机的转子应跟随电流相序的 变化而转动,由于步进电机通常没有安装速度或位置反馈装置,当负载过重或加、减速太 快时就可能导致电机转子不能准确跟随电流相序的变化而转动,也就造成了所谓的“失 步”。 开环控制如图 1-3 所示。 传动机械 指令给定 驱动电路 电机 图 1-3 开环控制 ? 闭环控制:控制系统的被控量由反馈装置检出并输送给控制器,影响控制器的输出进而改 变被控量。按反馈装置的检测点划分,闭环控制又分为全闭环控制和半闭环控制。反馈装 置直接检测被控量用于反馈的称为全闭环控制(如图 1-4),机械位置为被控量,用安装 在机械上的光栅尺作为位置反馈装置,以伺服电机的编码器作为速度反馈装置,实现了机 械位置的全闭环控制。如果没有安装光栅尺,以伺服电机的编码器同时作为位置和速度反 馈装置(如图 1-5),那么,这就是一个机械位置的半闭环控制。 传动机械 指令给定 + 位置比较 - + 速度比较 电机 - PG 速度反馈 位置反馈 图 1-4 全闭环控制 2 第一章 产品介绍 指令给定 + 位置比较 - + 速度比较 - 传动机械 电机 PG 图 1-5 半闭环控制 ? PID 控制:也称为 PID 调节,是控制器对输入数据(给定、反馈)进行数学处理的常用 算法。P 代表比例(Proportional),表示控制器的输入和输出构成线性比例关系,比例调 节系数越大,系统反应越灵敏,稳态误差越小(不能完全消除),比例调节系数过大会导 致系统振荡、不稳定。I 代表积分(Integral),表示控制器的输入对时间的积分影响输出 (输入逐渐影响输出),积分时间常数越大,系统越平稳,可以消除稳态误差,但也会导 致系统反应迟缓。D 代表微分(Differential),表示输入的微分(输入变化的斜率)影响 输出,微分控制能够预测偏差,产生超前的校正作用,减小跟随误差,改善动态性能,微 分系数过大也会导致系统振荡、不稳定。比例、积分、微分三种调节相互影响,在具体的 控制系统中需要配合调整 PID 控制参数达到系统反应速度、控制精度和稳定性的平衡。 由于微分调节容易产生冲击和振荡,本书介绍的伺服系统采用 PI 调节,即只进行比例和 积分调节。 ? 有关伺服控制的概念 伺服系统有三种基本的控制模式:位置控制、速度控制、转矩控制,系统框图如下图 1-6 所示。 ? 位置控制:用数字脉冲或数据通信方式给定电机的转动方向和角度,伺服单元控制电机 转子按给定的方向转过相应的角度。转动的角度(位置)和速度都可以控制。 ? 速度控制:用模拟电压或数据通信方式给定电机的转动方向和速度,伺服单元控制电机 转子按给定的方向和速度旋转。 ? 转矩控制:用模拟电压或数据通信方式给定电机输出力矩的大小和方向,伺服单元控制 电机转子的转动方向和输出转矩大小。 本手册介绍的伺服驱动装置目前不接受转矩给定信号,暂未提供转矩控制工作模式。 位置控制器 速度控制器 电流控制器 + + 位置调节 速度调节 + 电流调节 功率放大 电机 指令位置 - 位置反馈信号 - 速度反馈信号 - 电流反馈信号 PG 图 1-6 三环控制框图 3 GS2000T、GS3000T 系列交流伺服驱动单元 使用手册 ? 伺服性能指标 伺服动态响应特性:指给定或负载变化时伺服系统的反应速度、动态控制误差和稳态控制误差。 图 1-7 是伺服系统给定阶跃信号的响应特性图(实线为给定信号,虚线为伺服系统的输出信号, 下同): C(t) Rmax(t) ±5%R(t) R(t) 0.9R(t) tr t ts 图 1-7 伺服动态响应曲线 上升时间 tr: 表示转速输出量从零起第一次上升到稳态值 R(t)的 90%所经过的时间,它表 示动态响应快速性。 调节时间 ts: 在阶跃响应曲线稳态值 R(t)附近取稳态值的±5%范围作为允许误差带,以响 应曲线达到并不再超出该误差带的所需最小时间为调节时间,它用来衡量装置的整个调节过程 快慢。 超调量σ:表示转速输出量超出稳态值的最大转速差值(Rmax(t)-R(t))与稳态值 R(t)之 比,它反映伺服装置相对稳定性,用百分数表示时,即 σ (%) = Rmax (t) ? R(t) ×100% R(t) 稳态误差:系统响应在转速进入稳态后﹐系统的期望输出稳态值与实际输出之差。 伺服静态性能:在伺服控制系统中,最重要的是稳定性问题。伺服的静态性能指标主要是定位 精度,指的是系统过渡过程终了时实际状态与期望状态之间的偏差程度。影响伺服稳态精度的 原因有位置测量装置的误差,也有系统误差,与系统本身的结构和参数有关。