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直流电机

直流伺服电机原理PPT

发布时间:2022-10-02 09:33:02 来源:华体会全站官网登录入口 作者:华体会全站官网在线注册

  驱动电机采用直流伺服电机我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能它输出较大的转矩直接拖动负载运行同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性具体来说它具有以下优点:

  (1)具有较大的转矩以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。

  (2)调速范围宽高精度机械特性及调节特性线c;且运行速度平稳。

  (4)电机的负载特性硬有较大的过载能力确保运行速度不受负载冲击的影响。

  (5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机一般电机不能长时间运行于停转状态电机长时间停转时稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩相应的电枢电流为连续堵转电流。

  图3.1为该伺服电机的结构图。图3.2是此伺服电机的性能曲线 伺服电机的结构图

  舵机是一种位置伺服的驱动器适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路产生周期为20ms宽度为1.5ms的基准信号将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较获得电压差输出。最后电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时通过级联减速齿轮带动电位器旋转使得电压差为0电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图所示。

  控制线输入一个周期性的正向脉冲信号这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2ms之间。而低电平时间应在5ms到20ms间并不很严格。下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系

  根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律对图3.2所示的直流电机列基本方程

  根据公式3.2消去中间变量可以求出永磁直流电动机的速度传递函数为

  图3.3中的为电气时间常数。为建立直流电机的数学模型需要求的参数有电枢电阻、电枢电感、转矩常数、阻尼系数反电动势系数和总转动惯量其中为电动机转子的转动惯量为折合到电动机轴上的负载转动惯量。为求得以上参数值先给出电机RS380-ST/3545的技术指标(电压值为7.2V常值)如表3.1所示。

  式中是从电源的输入电功率是电磁功率转化为机械功率是电枢回路总的铜损耗。

  使用万用表的电感档测得直流电机的电枢电感0.2mH。则电气时间常数0.00042s。

  及其驱动技术:伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩,使电机带动负载运动,从而通过磁的形式将电能转换为机械能。

  及其驱动技术》、《伺服系统“电流环、速度环、控制环”三环控制分析》...

  系统(servomechanism)指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。一个

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  参考文献[1] 向晓汉, 宋昕. 变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化学工业出版社, 2015b.[2] 梁森, 欧阳三泰, 王侃夫. 自动检测技术及应用[M]. 第3版. 北京:机械工业出版社

  注意伺服系统既可以是开环控制方式也可以是闭环控制方式。

  执行器的功能在于提供被控对象的动力其构成主要包括伺服电动机和功率放大器

  运动控制Motion ControlMC起源于早期的伺服控制。简单地说运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

  在电力拖动系统中作为执行机构使用伺服电机即为驱动微电机。a2.1伺服电机的反馈装置

  光电编码器最为常见。光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用

  绝对式对应一圈运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码常以多位二进制码来表示通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。需要注意的是绝对式编码器有单圈式和多圈式之分

  其光电码盘转动超过360°时编码器回到原点因此只能用于旋转范围360°以内的测量

  旋转圈数可由靠锂电池驱动的寄存器保存也可采用类似钟表的齿轮结构来记忆圈数前者被称作“假绝对”后者则被称之为“真绝对”。

  功能即使断电之后再重新上电也能读出当前位置的绝对编码数据。

  单圈绝对式编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失多式绝对值编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。

  从这一角度来说若搭载单圈绝对式编码器的伺服电机所驱动的机构其行程若超过一圈则实质效果同增量式编码器无异都记不住位置。

  A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压三相脉冲各自独立A相和B相脉冲量相等但是A相和B相之间存在一个90°电气角的一周期为360°的电气角相位差可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转正转时A相超前B相90°先进行相位输出反转时B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。

  方波输出有两种单相编码器输出一相脉冲正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿。

  编码器计数的时候可以只记上升沿无倍频单相脉冲记上升沿和下降沿2倍频正交脉冲记所有上升沿就是2倍频记所有上升和下降沿就是4倍频方波最多只能做到4倍频。

  以正交编码器为例4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断这样1/4的T周期就是最小测量步距通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断也可以用逻辑来做0代表低1代表高A/B两相在一个周期内变化是0 00 11 11 0 。这种判断不仅可以4倍频还可以判断移动方向。

  从经济性来讲采用倍频电路可以有效提高分辨率而不增加旋转编码器的光栅数从而减少旋转编码器的制作难度和成本。

  举例如果电机装了一个2500线c;则在不倍频的情况下电机每转一圈可输出2500个脉冲如果经过4倍频电路处理则可以得到一圈10000个脉冲的输出电机一圈为360°所以每个脉冲代表的位置为360°/10000相比360°/2500, 分辨率提高4倍。需要注意的是四倍频2500线增量式编码器转一圈同样需要输入10000个脉冲。

  与柔性相对就是电机轴抗外界力矩干扰的能力即电机转子的自锁能力。在伺服设置中可以设定刚性等级通常根据惯量比以及传动连接方式大致估测。

  刚性与响应速度有关一般情况下刚性高的机械可通过提高伺服增益来提高响应性能刚性越强对应的速度环增益越大其响应速度也越高但是过高容易让电机产生

  在伺服应用中用联轴器来连接电机和负载就是

  而用同步带或者皮带来连接电机和负载就是

  电气系统的响应时间即给定一个位置、速度、转矩指令到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。对响应速度和刚性关系的具体解释在位置模式下用力让电机偏转如果伺服系统的响应速度够快当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力则电机偏转角度较小说明伺服系统刚性较强。

  任何旋转物体均有惯量存在惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速必定是电机输出转矩不符合负载的需求须加大电机的输出转矩。

  力对刚体转动的影响不仅与力的大小和方向有关还与力相对于转矩的位置有关为了描述力对刚体转动的作用需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。

  转矩转矩即转动力矩一般指旋转的物体所受到的力矩。

  任何元件在转矩的作用下必定产生某种程度的扭转变形因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩简称扭矩。

  指的是转子本身的惯量即转动惯量只跟转动半径和物体质量有关分为大、中、小惯量从响应角度来讲电机的转子惯量应小为好从负载角度来看电机的转子惯量越大越好。

  由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成即机械负载总惯量.适用负载惯量通常小于伺服电机惯量的 5 倍一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍可以认为惯量较大。

  负载的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大负载惯量比越大伺服允许的刚性等级越低。固定增益下伺服刚性相对转动惯量比过高时易引起机械共振反之则电机响应速度迟钝。为此需要做到惯量匹配

  在伺服设定时用户可自行选择刚性等级伺服驱动器将自动产生一组匹配的增益参数满足快速性与稳定性的需要其前置条件为已正确获得负载惯量比。

  简单地说就是用电气控制技术代替机械传动机构。一般来说电机与驱动机构是直连的机械结构固定后传动比也就固定了利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性提高传动精度。

  a脉冲当量脉冲当量是指控制器输出一个定位控制脉冲时所产生的定位控制移动的位移。即

  转矩控制电流环/单环 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。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。主要应用于需要严格控制转矩的场合在转矩模式下驱动器的运算最小动态响应最快。单环控制难以满足伺服系统的动态要求一般不采用。2、

  类似步进电机也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值外部模拟量的输入。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。位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算此时的系统运算量最大动态响应速度也最慢。转矩控制是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制

  位置控制是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制APR——位置调节器 ASR——速度调节器 ACR——电流调节器

  第一环为电流环最内环此环完全在伺服驱动器内部进行其PID常数已被设定无需更改。电流环的输入是速度环PID调节后的输出电流环的输出就是电机的每相的相电流。**电流环的功能为对输入值和电流环反馈值的差值进行PD/PID调节。**电流环的反馈来自于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流加速电流的响应过程。

  位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值由很多因素决定。

  多环控制系统调节器的设计方法是从内环到外环逐个设计各环调节器使每个控制环都是稳定的从而保证整个控制系统的稳定性每个环节都有自己的控制对象分工明确易于调整。这种设计的缺点在于对最外环控制作用的响应不会很快。

  伺服电机三环电流环、速度环、位置环控制原理及参数调节

  关于位置或速度响应频率的选择必须由机台的刚性及应用的场合来决定一般而言高频度定位的机台或要求精密加工的机台需要设定较高的响应频率但设定较高的响应频率容易引发机台的共振因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机台以避免机械共振。在未知机台的容许响应频率时可逐步加大增益设定以提高响应频率直到共振音产生时再调低增益设定值。

  令的追随性越佳位置误差量越小定位整定时间越短但是过大的设定会造成机台

  速度回路的响应频率必须比位置回路的响应频率高 4~6 倍当位置响应频率比速度响应频率高时机台会产生抖动

  KVI 越大对固定偏差消除能力越佳过大的设定容易引发机台的抖动。

  负载惯性比越大速度回路的响应频率会下降必须加大 KVP 以维持速度的响应频率在加大 KVP 的过程可能产生机械共振音请尝试利用本参数将噪音消除。越大的设定对高频噪音的改善越明显但是过大的设定会导致速度回路不稳定及过冲的现象

  外部干扰抵抗增益DST本参数用来增加对外力的抵抗能力并降低加减速的过冲现象。

  可降低位置误差量并缩短定位的整定时间但过大的设定容易造成定位过冲的现象。

  位置比例增益设置值越大增益越高刚度越大相同频率指令脉冲条件下位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调

  速度积分时间常数设置值越小积分速度越快。

  速度反馈滤波因子数值越大截止频率越低电机产生的噪音越小数值越小截止频率越高速度反馈响应越快。

  两大类。采用电流闭环控制后二者具有相同的控制对象数学模型。因此

  对于闭环伺服控制系统常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为

  常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。a附录1 伺服电动机与其它电动机的辨析

  普通电动机有刷多运行于开环控制伺服电动机运行于闭环控制。

  步进电机多运行于开环控制伺服电动机运行于闭环控制。使用步进电机的场合要么不需要位置反馈要么在其他设备上进行位置反馈

  步进电机只能接受脉冲信号二私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号

  伺服电机和步进电机常被搞混二者外形相似区别点在于伺服电机尾部的反馈装置此外步进电机一般都是一个引出线c;伺服电机由于带编码器所以有2个引线;编码线;。

  **2021.9.4 ** 对全文结构进行调整更新了“绝对式编码器”部分、“电机刚性”部分与“负载惯量比”部分。

  永磁交流伺服系统的性能日渐提高,价格趋于合理,使得永磁交流伺服系统取代

  系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点:(1)...

  的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐 其唯一目的就是要达成矢量控制的目标,使d轴...

  其唯一目的就是要达成矢量控制的目标使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场从而获得最佳的出力效果即“类直流特性”这种控制方法也被称为磁场定向控制FOC达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致如下图所示

  因此反推可知只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致就可以达成FOC控制目标使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交即波形间互差90度电角度如下图所示

  如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢由图1可知只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位然后就可以相对容易地根据电角度相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了。

  在此需要明示的是永磁交流伺服电机的所谓电角度就是a相U相相反电势波形的正弦Sin相位因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系另一方面电角度也是转子坐标系的d轴直轴与定子坐标系的a轴U轴或α轴之间的夹角这一点有助于图形化分析。

  在实际操作中欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时在无外力条件下初级电磁场与磁极永磁场相互作用会相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上如下图所示

  上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线c;以及电角度的关系如下图所示棕色线;或α轴与d轴对齐即直接对齐到电角度0点紫色线;或α轴对齐到与d轴相差负30度的电角度位置即对齐到-30度电角度点

  上述两种转子定向方法在dq转子坐标系和abcUVW或αβ定子坐标系中的矢量关系如图6所示

  图中棕色线所示的d轴与a轴U轴或α轴对齐即对齐到电角度0点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为90度的电流矢量空载下电机转子的d轴会移向FOC控制下电角度相位为90度的电流矢量q轴分量所处的位置即图中与a轴或α轴重合的位置并最终定向于该位置即电角度0度。

  紫色线所示的d 轴与a轴U轴或α轴相差30度即对齐到-30度电角度点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为60度的电流矢量空载下电机转子的d轴会移向在FOC下电角度相位为60度的电流矢量q轴分量所处的位置即图中与a轴或α轴沿顺时针方向相差30度的位置并最终定向于该位置即电角度-30度。

  说明一点文中有关U、V、W相和a、b、c相U、V、W轴和a、b、c轴的叙述具有一一对应关系。

  主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器绝对式编码器正余弦编码器旋转变压器等。

  在此讨论中增量式编码器的输出信号为方波信号又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B以及零位信号Z带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外还具备互差120度的电子换相信号UVWUVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位或曰电角度相位之间的对齐方法如下

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时Z信号都能稳定在高电平上则对齐有效。

  1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线.转动电机轴编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合编码器的Z信号也出现在这个过零点上。

  需要注意的是此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐由于电机的U相反电势与UV线c;因而这样对齐后增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

  有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐为达到此目的可以

  1.用3个阻值相等的电阻接成星型然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点就可以近似得到电机的U相反电势波形

  3.依据操作的方便程度调整编码器转轴与电机轴的相对位置或者编码器外壳与电机外壳的相对位置

  4.一边调整一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点最终使上升沿和过零点重合锁定编码器与电机的相对位置关系完成对齐。

  由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息而Z信号也只能反映一圈内的一个点位不具备直接的相位对齐潜力因而不作为本讨论的话题。

  绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言差别不大其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平利用此电平的0和1的翻转也可以实现编码器和电机的相位对齐方法如下

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  4.一边调整一边观察最高计数位信号的跳变沿直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处锁定编码器与电机的相对位置关系

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时跳变沿都能准确复现则对齐有效。

  这类绝对式编码器目前已经被采用EnDATBiSSHyperface等串行协议以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代因而最高位信号就不符存在了此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位具体方法如下

  1.将编码器随机安装在电机上即固结编码器转轴与电机轴以及编码器外壳与电机外壳

  2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中

  由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差并根据电机极对数进行必要的换算再加上-30度就可以得到该时刻的电机电角度相位。

  这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。这种对齐方法的一大好处是只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流无需调整编码器和电机轴之间的角度关系因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上且无需精细甚至简单的调整过程操作简单工艺性好。

  如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM又没有可供检测的最高计数位引脚则对齐方法会相对复杂。如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示则可以考虑

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  4.经过上述调整使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点锁定编码器与电机的相对位置关系

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时上述折算位置点都能准确复现则对齐有效。

  如果用户连绝对值信息都无法获得那么就只能借助原厂的专用工装一边检测绝对位置检测值一边检测电机电角度相位利用工装调整编码器和电机的相对角位置关系将编码器相位与电机电角度相位相互对齐然后再锁定。这样一来用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。

  个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法简单实用适应性好便于向用户开放以便用户自行安装编码器并完成电机电角度的相位整定。

  普通的正余弦编码器具备一对正交的sincos 1Vp-p信号相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号每圈会重复许许多多个信号周期比如2048等以及一个窄幅的对称三角波Index信号相当于增量式编码器的Z信号一圈一般出现一个这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号如果以C信号为sin则D信号为cos通过sin、cos信号的高倍率细分技术不仅可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的名义检测分辨率比如2048线多万线的名义检测分辨率当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统而国内厂家尚不多见此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后还可以提供较高的每转绝对位置信息比如每转2048个绝对位置因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  4.一边调整一边观察C信号波形直到由低到高的过零点准确出现在电机轴的定向平衡位置处锁定编码器与电机的相对位置关系

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时过零点都能准确复现则对齐有效。

  1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线.转动电机轴编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

  如果想直接和电机电角度的0度点对齐可以考虑

  1.用3个阻值相等的电阻接成星型然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点就可以近似得到电机的U相反电势波形

  4.一边调整一边观察编码器的C相信号由低到高的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点最终使2个过零点重合锁定编码器与电机的相对位置关系完成对齐。

  由于普通正余弦编码器不具备一圈之内的相位信息而Index信号也只能反映一圈内的一个点位不具备直接的相位对齐潜力因而在此也不作为讨论的话题。

  如果可接入正余弦编码器的伺服驱动器能够为用户提供从C、D中获取的单圈绝对位置信息则可以考虑

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  2.利用伺服驱动器读取并显示从C、D信号中获取的单圈绝对位置信息

  4.经过上述调整使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点锁定编码器与电机的相对位置关系

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时上述折算绝对位置点都能准确复现则对齐有效。

  此后可以在撤掉直流电源后得到与前面基本相同的对齐验证效果

  1.用示波器观察正余弦编码器的C相信号和电机的UV线.转动电机轴验证编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

  如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器也可以存储正余弦编码器随机安装在电机轴上后实测的相位具体方法如下

  1.将正余弦随机安装在电机上即固结编码器转轴与电机轴以及编码器外壳与电机外壳

  2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  3.用伺服驱动器读取由C、D信号解析出来的单圈绝对位置值并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中

  由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后驱动器将任意时刻由编码器解析出来的与电角度相关的单圈绝对位置值与这个存储值做差并根据电机极对数进行必要的换算再加上-30度就可以得到该时刻的电机电角度相位。

  这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中因此一旦对齐后电机就和驱动器事实上绑定了如果需要更换电机、正余弦编码器、或者驱动器都需要重新进行初始安装相位的对齐操作并重新绑定电机和驱动器的配套关系。

  旋转变压器简称旋变是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线c;相比于采用光电技术的编码器而言具有耐热耐振。耐冲击耐油污甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用一对极单速的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统应用也最为广泛因而在此仅以单速旋变为讨论对象多速旋变与伺服电机配套个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数一便于电机度的对应和极对数分解。

  旋变的信号引线c;分别对应一个激励线个正交的感应线c;激励线圈接受输入的正弦型激励信号感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。旋变SIN和COS输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果如果激励信号是sinωt转定子之间的角度为θ则SIN信号为sinωt×sinθ则COS信号为sinωt×cosθ根据SINCOS信号和原始的激励信号通过必要的检测电路就可以获得较高分辨率的位置检测结果目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方即4096而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上不过体积和成本也都非常可观。

  2.然后用示波器观察旋变的SIN线.依据操作的方便程度调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置或者旋变定子与电机外壳的相对位置

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时信号包络的幅值过零点都能准确复现则对齐有效 。

  1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线.转动电机轴验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

  如果想直接和电机电角度的0度点对齐可以考虑

  1.用3个阻值相等的电阻接成星型然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点就可以近似得到电机的U相反电势波形

  3.依据操作的方便程度调整编码器转轴与电机轴的相对位置或者编码器外壳与电机外壳的相对位置

  4.一边调整一边观察旋变的SIN信号包络的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点最终使这2个过零点重合锁定编码器与电机的相对位置关系完成对齐。

  需要指出的是在上述操作中需有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周。由于SIN信号是以转定子之间的角度为θ的sinθ值对激励信号的调制结果因而与sinθ的正半周对应的SIN信号包络中被调制的激励信号与原始激励信号同相而与sinθ的负半周对应的SIN信号包络中被调制的激励信号与原始激励信号反相据此可以区别判断旋变输出的SIN包络信号波形中的正半周和负半周对齐时需要取sinθ由负半周向正半周过渡点对应的SIN包络信号的过零点如果取反了或者未加准确判断的线c;对齐后的电角度有可能错位180度从而有可能造成速度外环进入正反馈。

  如果可接入旋变的伺服驱动器能够为用户提供从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息则可以考虑

  1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  2.利用伺服驱动器读取并显示从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息

  3.依据操作的方便程度调整旋变轴与电机轴的相对位置或者旋变外壳与电机外壳的相对位置

  4.经过上述调整使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点锁定编码器与电机的相对位置关系

  5.来回扭转电机轴撒手后若电机轴每次自由回复到平衡位置时上述折算绝对位置点都能准确复现则对齐有效。

  此后可以在撤掉直流电源后得到与前面基本相同的对齐验证效果

  1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线.转动电机轴验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

  如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器也可以存储旋变随机安装在电机轴上后实测的相位具体方法如下

  1.将旋变随机安装在电机上即固结旋变转轴与电机轴以及旋变外壳与电机外壳

  2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电U入V出将电机轴定向至一个平衡位置

  3.用伺服驱动器读取由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中

  由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后驱动器将任意时刻由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值与这个存储值做差并根据电机极对数进行必要的换算再加上-30度就可以得到该时刻的电机电角度相位。

  这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中因此一旦对齐后电机就和驱动器事实上绑定了如果需要更换电机、旋变、或者驱动器都需要重新进行初始安装相位的对齐操作并重新绑定电机和驱动器的配套关系。

  1.以上讨论中所谓对齐到电机电角度的-30度相位的提法是以UV反电势波形滞后于U相30度的前提为条件。

  2.以上讨论中都以UV相通电并参考UV线反电势波形为例有些伺服系统的对齐方式可能会采用UW相通电并参考UW线.如果想直接对齐到电机电角度0度相位点也可以将U相接入低压直流源的正极将V相和W相并联后接入直流源的负端此时电机轴的定向角相对于UV相串联通电的方式会偏移30度以文中给出的相应对齐方法对齐后原则上将对齐于电机电角度的0度相位而不再有-30度的偏移量。这样做看似有好处但是考虑电机绕组的参数不一致性V相和W相并联后分别流经V相和W相绕组的电流很可能并不一致从而会影响电机轴定向角度的准确性。而在UV相通电时U相和V相绕组为单纯的串联关系因此流经U相和V相绕组的电流必然是一致的电机轴定向角度的准确性不会受到绕组定向电流的影响。

  4.不排除伺服厂商有意将初始相位错位对齐的可能性尤其是在可以提供绝对位置数据的反馈系统中初始相位的错位对齐将很容易被数据的偏置量补偿回来以此种方式也许可以起到某种保护自己产品线的作用。只是这样一来用户就更加无从知道伺服电机反馈元件的初始相位到底该对齐到哪儿了。用户自然也不愿意遇到这样的供应商。

  1)  以示波器直接观察UV线反电势波形过零点与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到-30度电角度相位

  2) 以阻值范围适当的三个等值电阻构成星形接入永磁伺服电机的UVW动力线c;以示波器观察U相动力线与星形等值电阻的中心点之间的虚拟U相反电势波形与与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点

  适用于带换相信号的增量式编码器、正余弦编码、旋转变压器的波形对齐或者绝对式编码器和正余弦编码、旋转变压器等按可提供单圈绝对位置数值信息对齐。

  1) 将U相接入低压直流源的正极V相接入直流源的负端定向电机轴

  此后一边调整传感器与电机的相对位置关系一边以示波器观察传感器信号直到U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到 -30度电角度相位

  也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系一边设法观察单圈绝对位置的数值信息直到数据零位准确复现以此方法也可以将传感器的单圈绝对位置零点对齐到 -30度电角度相位

  如果事先估算出 -30度电角度对应的单圈绝对位置的数值还可以调整传感器与电机的相对位置关系直到该数值准确复现就可以将单圈绝对位置零点直接对齐到电角度相位0点该方法可能比将在下一面 2) 中总结的后一条方法精确度更好一些

  当然也完全可以不调整传感器与电机的相对位置关系而是简单地随机安装编码器把读取到的单圈绝对位置信息作为初始安装的偏置值通过后续运算实现单圈绝对位置信息和电角度相位零点的逻辑对齐该方法的人工操作要求最低。

  2) 将U相接入低压直流源的正极将V相和W相并联后接入直流源的负端定向电机轴

  此后一边调整传感器与电机的相对位置关系一边以示波器观察传感器信号直到U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点

  也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系一边设法观察单圈绝对位置的数值信息直到数据零位准确复现以此方法也可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点。

  2008.11.8补充编码器相位为什么需要与伺服电机转子磁极相位对齐部分

  对于直线c;采用增量式直线;UVW霍尔相位检测信号的方式可以借鉴上面的带UVW相位的增量式编码器的方式

  采用绝对式直线编码器反馈的直线c;可以参考上述绝对式编码器的方式

  带C、D信号的直线编码器目前本人上位见过而且长距离的感觉也很难实现故在直线电机应用可以不考虑

  与旋变对应的直线感应式传感器为感应同步器不过目前应用日少而且其印刷“绕组”的物理节距毫米级往往小于直线电机的永磁体极距几十毫米级所以无法与旋变应用直接对应如果一定要用可参照“增量式直线;UVW霍尔相位检测信号的方式”。

  增量式编码器相对容易实现以单一仪器进行检测毕竟其信号相对简单。

  绝对式编码器就不那么容易因为各家有各家的串行协议比如海德汉的EnDAT施曼/施克的HyperfaceBiSSSSI等除了SSI相对简单其它都有一定的复杂度而且互不兼容虽然协议是对用户公开的但每种协议都得做进检测仪器里。而对于日系伺服用的伪绝对式编码器除了多摩川的编码器串行协议可以向用户公开山洋的可以部分向用户公开外其它的什么三菱、安川、松下等等都对用户保密拿不到协议也就没法用单一仪器进行检测了。

  带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外还具备互差120度的电子换相信号UVWUVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致

  比如某个增量式编码器的UVW信号其每转周期数为2那么是不是该编码器只能适用极对数为2的电机还是说编码器能根据电机的极对数自动调节其UVW输出信号的每转周期数谢谢

  尊敬的波恩楼主,您真是及时雨,最近我正为正余弦编码器的工作原理犯愁,您无私的雪中送碳了,真实太感谢您了!

  to“vesgine”一般而言伺服电机在选用带UVW信号的增量式编码器时都会选择信号周期数与电机极对数相同这样做主要目的在于每次上电时为软件提供电机电角度初始化的信号依据。如果编码器信号周期数和电机极对数不匹配电机电角度初始化算法就不便于直接利用UVW相位信息这样一来就不如直接用不带UVW信号的最普通的增量式编码器。

  另外编码器的信号周期数和电机的极对数都是在物理上已经做死的因此不可能在安装后再由“编码器能根据电机的极对数自动调节其UVW输出信号的每转周期数”。

  to“CGP888”“对于SIN、CON的反馈信号DSP中是怎样确认其曲线上每点所对应的磁极角度呢前提是编码器装在永磁同步电机的转子轴上”———这涉及正余弦编码器信号的细分技术国外称之为内插已经超出了本帖讨论的电角度相位对齐的范围。而且国内产业界在这方面的能力目前还十分薄弱就本人所知国内能自己做到2048线以上细分的产品还屈指可数而国外目前只对国内提供512细分的高速处理电路4096以上的高速细分电路/IC基本是禁运的。所以突破正余弦编码器信号的高速高倍率细分技术对于国内数控产业界而言具有非常大的战略意义和和市场价值。据说一家新兴的民族数控企业已经取得4096倍以上的高速细分产品的技术突破这是值得称道和令人鼓舞的。

  初稿中曾提及“对关于如何有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周本人尚无经验”前天拿到一份多摩川的ppt讲稿里面有的2张图可以说明了旋变的SIN、COS包络信号中的正半周和负半周的波形特点如下所示

  由此可见正半周和负半周中被调制后的激励信号的相位是有差别的正半周中被调制后的激励信号与原始激励信号同相而负半周中被调制后的激励信号与原始激励信号反据此就可以在电机电机电角度初始相位对齐的过程有效区分SIN包络信号中的正半周和负半周避免因无从判断而可能导致错位180度对齐的问题。

  和功率放大器、控制器和反馈装置)。执行器的功能在于提供被控对象的动力,其构成主要...

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  伺服系统既可以是开环控制方式也可以是闭环控制方式。本文按后者叙述。

  伺服系统(servomechanism)指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。 一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器(负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈装置)。

  执行器的功能在于提供被控对象的动力其构成主要包括伺服电动机和功率放大器伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等(位置传感器)。

  反馈装置除了位置传感器可能还需要电压、电流和速度传感器。

  下图为一般工业用伺服系统的组成框图其中红色为伺服驱动器组成部分黄色为伺服电机组成部分。

  “伺服”——词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具服从控制信号的要求而动作在讯号来到之前转子静止不动讯号来到之后转子立即转动当讯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。

  检测误差包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差传感器本身固有无法克服

  只要pq0对阶跃输入信号就有足够的跟踪能力对于速度输入信号,I型系统跟踪能力大幅削弱跟随误差与开环传递函数的比例系数成反比II型仍具有优良跟踪能力对于加速度输入信号仅II型系统能勉强跟随。

  系统精度需综合考虑转子转动惯量、电动机类型、转矩抖动等

  选配刹车刹车用来在电机停止时候锁定位置不让电机由于外力作用发生运动并非在运行时刹车。

  伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

  根据检测原理编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式每转过单位的角度就发出一个脉冲信号绝对式就是对应一圈每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量

  编码器线a;即编码器分辨率也即一转所发出的脉冲数例如2500线c;这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的且与电机自带编码器参数相关。

  可以发现线B)等。前者为增量式编码器线c;后者为绝对式编码器线B表示一转所需的脉冲数为2^17即131 072个脉冲。

  运动伺服一般都是三环控制系统从内到外依次是电流环、速度环和位置环。

  伺服的控制方式有3种分别是位置控制、速度控制和转矩控制。

  控制(电流环/单环 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。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。主要应用于需要严格控制转矩的场合在转矩模式下驱动器的运算最小动态响应最快。

  控制(速度环、电流环/双环 控制)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。速度控制包含了速度环和电流环。任何模式都必须使用电流环电流环是控制的跟本。

  位置控制(三环控制)伺服中最常用的控制。位置控制模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(类似步进电机)也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值(外部模拟量的输入)。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。

  位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算此时的系统运算量最大动态响应速度也最慢。

  APR——位置调节器ASR——速度调节器ACR——电流调节器 4、三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

  。此环完全在伺服驱动器内部进行其PID常数已被设定无需更改。电流环的输入是速度环PID调节后的输出电流环的输出就是电机的每相的相电流。**电流环的功能为对输入值和电流环反馈值的差值进行PD/PID调节。**电流环的反馈来自于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流加速电流的响应过程。

  速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值。**电流环的功能为对输入值和速度环反馈值的差值进行PI调节。**速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”的计算后得到的。

  位置环的输入就是外部的脉冲。**位置环的功能为对输入值和位置环反馈值的差值进行P调节。**位置环的反馈来自于编码器反馈的脉冲信号经过“偏差计数器”的计算后得到的。位置调节器APR其输出限幅值是电流的最大值决定着电动机的最高转速。 位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值由很多因素决定。多环控制系统调节器的设计方法是从内环到外环逐个设计各环调节器使每个控制环都是稳定的从而保证整个控制系统的稳定性每个环节都有自己的控制对象分工明确易于调整。这种设计的缺点在于对最外环控制作用的响应不会很快

  按照设备需求选择选择好合适的控制模式后需要对伺服增益参数进行合理的调整。使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机最大限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进行调整它们之间会相互影响。

  位置比例增益设置值越大增益越高刚度越大相同频率指令脉冲条件下位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调

  位置前馈增益位置环的前馈增益大控制系统的高速响应特性提高但会使系统的位置不稳定容易产生振荡

  速度比例增益设置值越大增益越高刚度越大相同频率指令脉冲条件下速度滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调速度积分时间常数设置值越小积分速度越快。速度反馈滤波因子数值越大截止频率越低电机产生的噪音越小数值越小截止频率越高速度反馈响应越快。最大输出转矩设置

  五、伺服系统的设计根据伺服电动机的种类伺服系统可分为直流和交流两大类。采用电流闭环控制后二者具有相同的控制对象数学模型。因此可用相同的方法设计交流或直流伺服系统。 对于闭环伺服控制系统常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正一般把串联校正单元称作调节器所以又称调节器校正若校正装置与前向通道并行称为并联校正。

  常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。

  普通电动机(有刷)多运行于开环控制伺服电动机运行于闭环控制。

  伺服电机都是三环控制即电流环、速度环、位置环舵机只检测位置环(一般用电位器)。

  步进电机多运行于开环控制伺服电动机运行于闭环控制。(使用步进电机的场合要么不需要位置反馈要么在其他设备上进行位置反馈)

  伺服电机低频特性好过载能力大响应时间短

  步进电机只能接受脉冲信号二私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号

  伺服电机和步进电机常被搞混二者外形相似区别点在于伺服电机尾部的反馈装置此外步进电机一般都是一个引出线c;伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端(编码线和动力线)。

  第四批精选无刷电机技术PPT合集(BLDC霍尔位置传感器/无刷电机matlab建模/BLDC控制方案及磁编码器/单片机应用)

  第三批精选伺服电机与运动控制PPT合集(运动控制器/传感器/PLC控制/伺服建模与仿真/直交流伺服控制)

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  第四章 MATLAB与交直流调速系统仿线 MATLAB基本知识;4.3直流调速系统与MATLAB 仿线交流

  闭环控制系统 输入量(目标转速)就是我们的目标值,减去检测装置传回来的实际值(编码器测得的转速),就是实际偏差。将偏差输入到控制器(STM32),运算之后控制执行机构(驱动板和

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