伺服電動缸控制方式簡介

2018-08-29 17:15:00
陸啟蒙
原創
4244

伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品,將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動,同時將伺服電機最佳優點: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;實現高精度直線運動系列的全新革命性產品。

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控制的。位置控制是通過發脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據客戶的要求,滿足何種運動功能來選擇。
如果您對電機的速度、位置都沒有要求,只要輸出一個恒轉矩,當然是用轉矩模式。
如果對位置和速度有一定的精度要求,而對實時轉矩不是很關心,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控制功能,用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高,或者,基本沒有實時性的要求,用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。

就伺服驅動器的響應速度來看,轉矩模式運算量最小,驅動器對控制信號的響應最快;位置模式運算量最大,驅動器對控制信號的響應最慢。
對運動中的動態性能有比較高的要求時,需要實時對電機進行調整。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,把位置環從驅動器移到控制器上,減少驅動器的工作量,提高效率(比如大部分中高端運動控制器);如果有更好的上位控制器,還可以用轉矩方式控制,把速度環也從驅動器上移開,這一般只是高端專用控制器才能這么干,而且,這時完全不需要使用伺服電機。

換一種說法是:

1、轉矩控制:轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來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,當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉,外部負載等于2.5Nm時電機不轉,大于2.5Nm時電機反轉(通常在有重力負載情況下產生)??梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著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外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小,通過脈沖的個數來確定轉動的角度,也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制,所以一般應用于定位裝置。應用領域如數控機床、印刷機械等等。

3、速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制,在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位,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檢測位置信號,此時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提供了,這樣的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加了整個系統的定位精度。

談談三環控制

伺服電機一般為三個環控制,所謂三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。

最內的PID環就是電流環,此環完全在伺服驅動器內部進行,通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流,負反饋給電流的設定進行PID調節,從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流,電流環就是控制電機轉矩的,所以在轉矩模式下驅動器的運算最小,動態響應最快。

第2環是速度環,通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節,它的環內PID輸出直接就是電流環的設定,所以速度環控制時就包含了速度環和電流環,換句話說任何模式都必須使用電流環,電流環是控制的根本,在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流(轉矩)的控制以達到對速度和位置的相應控制。

第3環是位置環,它是最外環,可以在驅動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,要根據實際情況來定。由于位置控制環內部輸出就是速度環的設定,位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算,此時的系統運算量最大,動態響應速度也最慢。

運動伺服一般都是三環控制系統,從內到外依次是電流環速度環位置環。(WINHOO電動缸

1、首先電流環:電流環的輸入是速度環PID調節后的那個輸出,我們稱為“電流環給定”吧,然后呢就是電流環的這個給定和“電流環的反饋”值進行比較后的差值在電流環內做PID調節輸出給電機,“電流環的輸出”就是電機的每相的相電流,“電流環的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅動器內部安裝在每相的霍爾元件(磁場感應變為電流電壓信號)反饋給電流環的。

2、速度環:速度環的輸入就是位置環PID調節后的輸出以及位置設定的前饋值,我們稱為“速度設定”,這個“速度設定”和“速度環反饋”值進行比較后的差值在速度環做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“電流環的給定”。速度環的反饋來自于編碼器的反饋后的值經過“速度運算器”得到的。

3、位置環:位置環的輸入就是外部的脈沖(通常情況下,直接寫數據到驅動器地址的伺服例外),外部的脈沖經過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環的設定”,設定和來自編碼器反饋的脈沖信號經過偏差計數器的計算后的數值在經過位置環的PID調節(比例增益調節,無積分微分環節)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的給定。位置環的反饋也來自于編碼器。

編碼器安裝于伺服電機尾部,它和電流環沒有任何聯系,他采樣來自于電機的轉動而不是電機電流,和電流環的輸入、輸出、反饋沒有任何聯系。而電流環是在驅動器內部形成的,即使沒有電機,只要在每相上安裝模擬負載(例如電燈泡)電流環就能形成反饋工作。

談談PID各自對差值調節對系統的影響

1、單獨的P(比例)就是將差值進行成比例的運算,它的顯著特點就是有差調節,有差的意義就是調節過程結束后,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比例關系計算出。。。增加比例將會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,則積分環節的變化速度大,這個環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間常數,積分時間常數越小意味著系統的變化速度越快,所以同樣如果增大積分速度(也就是減小積分時間常數)將會降低控制系統的穩定程度,直到最后出現發散的震蕩過程,這個環節最大的好處就是被調量最后是沒有殘差的。

3、PI(比例積分)就是綜合P和I的優點,利用P調節快速抵消干擾的影響,同時利用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行調節的,調節器的輸出與差值對于時間的導數成正比,微分環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)的變化速度來進行調節,而不要等到出現了很大的偏差后才開始動作,其實就是賦予了調節器以某種程度上的預見性,可以增加系統對微小變化的響應特性。

伺服的電流環的PID常數一般都是在驅動器內部設定好的,操作使用者不需要更改。

速度環主要進行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間常數進行合適的調節才能達到理想效果,位置環主要進行P(比例)調節,對此我們只要設定位置環的比例增益就好了,位置環、速度環的參數調節沒有什么固定的數值,要根據外部負載的機械傳動連接方式、負載的運動方式、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決定,調節的簡單方法是在根據外部負載的情況進行大體經驗的范圍內將增益參數從小往大調,積分時間常數從大往小調,以不出現震動超調的穩態值為最佳值進行設定。

當進行位置模式需要調節位置環時,最好先調節速度環(此時位置環的比例增益設定在經驗值的最小值),調節速度環穩定后,在調節位置環增益,適量逐步增加,位置環的響應最好比速度環慢一點,不然也容易出現速度震蕩。

    伺服電動缸原理:

伺服電動缸控制方式簡介

        (以下以松下伺服為例詳細解釋各模式概要)

        位置模式控制:

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