米乐棋牌:电气百科:永磁同步伺服电机驱动器原理详解及步进与伺服的差异!


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  跟着现代电机技能、现代电力电子技能、微电子技能、永磁资料技能、沟通可调速技能及操控技能等支撑技能的快速开展,使得永磁沟通伺服技能有着长足的开展。

  永磁沟通伺服体系的功用日渐进步,价格趋于合理,使得永磁沟通伺服体系替代直流伺服体系特别是在高精度、高功用要求的伺服驱动范畴成了现代电伺服驱动体系的一个开展趋势。

  永磁沟通伺服体系的驱动器阅历了模仿式、方法混合式的开展后,现在现已进入了全数字的年代。全数字伺服驱动器不只战胜了模仿式伺服的分散性大、零漂、低牢靠性等确认,还充分发挥了数字操控在操控精度上的优势和操控办法的灵敏,使伺服驱动器不只结构简略,而且功用愈加的牢靠。

  现在,高功用的伺服体系,大多数选用永磁沟通伺服体系其间包含永磁同步沟通伺服电动机和全数字沟通永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成:驱动器硬件和操控算法。操控算法是决议沟通伺服体系功用好坏的关键技能之一,是国外沟通伺服技能封闭的首要部分,也是在技能独占的中心。

  沟通永磁同步伺服驱动器首要有伺服操控单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反应检测器材组成,其结构组成如图1所示。其间伺服操控单元包含方位操控器、速度操控器、转矩和电流操控器等等。

  现在干流的伺服驱动器均选用数字信号处理器(DSP)作为操控中心,其长处是能够完成比较杂乱的操控算法,事项数字化、网络化和智能化。功率器材遍及选用以智能功率模块(IPM)为中心规划的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,一起具有过电压、过电流、过热、欠压等毛病检测维护电路,在主回路中还参加软发动电路,以减小发动进程对驱动器的冲击。

  伺服驱动器大体能够划分为功用比较独立的功率板和操控板两个模块。如图2所示功率板(驱动板)是强电部,分其间包含两个单元,一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动,二是开关电源单元为整个体系供应数字和模仿电源。

  操控板是弱电部分,是电机的操控中心也是伺服驱动器技能中心操控算法的作业载体。操控板经过相应的算法输出PWM信号,作为驱动电路的驱动信号,来改逆变器的输出功率,以抵达操控三相永磁式同步沟通伺服电机的意图。

  功率驱动单元首要经过三相全桥整流电路对输入的三相电或许市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再经过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步沟通伺服电机。

  功率驱动单元的整个进程能够简略的说便是AC-DC-AC的进程。整流单元(AC-DC)首要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

  逆变部分(DC-AC)选用选用的功率器材集驱动电路,维护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM),首要拓扑结构是选用了三相桥式电路原理图见图3,运用了脉宽调制技能即PWM(Pulse Width Modulation)经过改动功率晶体管替换导通的时刻来改动逆变器输出波形的频率,改动每半周期内晶体管的通断时刻比,也便是说经过改动脉冲宽度来改动逆变器输出电压副值的巨细以抵达调理功率的意图。

  图3中对各桥臂的开关情况做以下规则:当上桥臂开关管“开”情况时(此刻下桥臂开关管必定是“关”情况),开关情况为1;当下桥臂开关管“开”情况时(此刻下桥臂开关管必定是“关”情况),开关情况为0。

  三个桥臂只要“0”和“1”两种情况,因此构成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管方法,其间000和111开关方法使逆变输出电压为零,所以称这种开关方法为零情况。

  操控单元是整个沟通伺服体系的中心,完成体系方位操控、速度操控、转矩和电流操控器。所选用的数字信号处理器(DSP)除具有快速的数据处理才能外,还集成了丰厚的用于电机操控的专用集成电路,如A/D转换器、PWM发生器、守时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

  伺服驱动器经过选用磁场定向的操控原理( FOC) 和坐标改换,完成矢量操控(VC) ,一起结合正弦波脉宽调制(SPWM)操控方法对电机进行操控 。永磁同步电动机的矢量操控一般经过检测或估量电机转子磁通的方位及幅值来操控定子电流或电压,这样,电机的转矩便只和磁通、电流有关,与直流电机的操控办法类似,能够得到很高的操控功用。

  关于永磁同步电机,转子磁通方位与转子机械方位相同,这样经过检测转子的实践方位就能够得知电机转子的磁通方位,然后使永磁同步电机的矢量操控比起异步电机的矢量操控有所简化。

  伺服驱动器操控沟通永磁伺服电机( PMSM)伺服驱动器在操控沟通永磁伺服电机时,可别离作业在电流(转矩) 、速度、方位操控办法下。

  体系的操控结构框图如图4所示由于沟通永磁伺服电机(PMSM) 选用的是永久磁铁励磁,其磁场能够视为是安稳,一起沟通永磁伺服电机的电机转速便是同步转速,即其转差为零。

  这些条件使得沟通伺服驱动器在驱动沟通永磁伺服电机时的数学模型的杂乱程度得以大大的下降。从图4能够看出,体系是依据丈量电机的两相电流反应和电机方位。

  将测得的相电流结合方位信息,经坐标改变(从a ,b ,c 坐标系转换到转子d ,q 坐标系) ,得到重量别离进入各自得电流调理器。电流调理器的输出经过反向坐标改变(从d ,q 坐标系转换到a ,b ,c 坐标系) ,得到三相电压指令。操控芯片经过这三相电压指令,经过反向、延时后,得到6 路PWM 波输出到功率器材,操控电机作业。

  体系在不同指令输入办法下,指令和反应经过相应的操控调理器,得到下一级的参阅指令。在电流环中d ,q 轴的转矩电流重量是速度操控调理器的输出或外部给定。而一般情况下,磁通重量为零( = 0) ,可是当速度大于限定值时,能够经过弱磁( 《 0) ,得到更高的速度值。

  从a,b,c坐标系转换到d,q坐标系有克拉克(CLARKE)和帕克(PARK)改换来是完成;从d,q坐标系转换到a,b,c坐标系是有克拉克和帕克的逆改换来是完成的。以下是两个改换公式,克拉克改换(CLARKE):

  本文简略的介绍了伺服驱动器的几个首要的功用模块的完成及原理,谨协助咱们对伺服驱动器有进一步了解之用,咱们假如想更深化的了解伺服驱动器的规划原理,请参阅其它的文献。

  本文首要是关于步进电机驱动器与伺服电机驱动器的相关介绍,并侧重对步进电机驱动器与伺服电机驱动器进行了翔实的比照差异。

  步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的履行机构。当步进驱动器接纳到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向滚动一个固定的视点(称为“步距角”),它的旋转是以固定的视点一步一步作业的。能够经过操控脉冲个数来操控角位移量,然后抵达准确认位的意图;一起能够经过操控脉冲频率来操控电机滚动的速度和加快度,然后抵达调速和定位的意图。

  步进电机按结构分类:步进电动机也叫脉冲电机,包含反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。

  (1)反应式步进电动机:也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁资料制成,定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组,定、转子周边均匀分布小齿和槽,通电后运用磁导的改变发生转矩。一般为三、四、五、六相;可完成大转矩输出(耗费功率较大,电流最高可达20A,驱动电压较高);步距角小(最小可做到10’);断电时无定位转矩;电机内阻尼较小,单步作业(指脉冲频率很低时)轰动时刻较长;发动和作业频率较高。

  (2)永磁式步进电动机:一般电机转子由永磁资料制成,软磁资料制成的定子上有多相励磁绕组,定、转子周边没有小齿和槽,通电后运用永磁体与定子电流磁场相互效果发生转矩。一般为两相或四相;输出转矩小(耗费功率较小,电流一般小于2A,驱动电压12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);断电时具有必定的坚持转矩;发动和作业频率较低。

  (3)混合式步进电动机:也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机,混合了永磁式和反应式的长处。其定子和四相反应式步进电动机没有差异(但同一相的两个磁极相对,且两个磁极上绕组发生的N、S极性有必要相同),转子结构较为杂乱(转子内部为圆柱形永磁铁,两头外套软磁资料,周边有小齿和槽)。一般为两相或四相;须供应正负脉冲信号;输出转矩较永磁式大(耗费功率相对较小);步距角较永磁式小(一般为1.8度);断电时无定位转矩;发动和作业频率较高;开展较快的一种步进电动机。 [1]

  步进电动机不能直接接到直流或沟通电源上作业,有必要运用专用的驱动电源(步进电动机驱动器)。操控器(脉冲信号发生器)能够经过操控脉冲的个数来操控角位移量,然后抵达准确认位的意图;一起能够经过操控脉冲频率来操控电机滚动的速度和加快度,然后抵达调速的意图。

  步进电机驱动器的原理,选用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按适宜的时序通电,就能使步进电机步进滚动。图1是该四相反应式步进电机作业原理示意图。

  四相步进电机步进示意图 开端时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,一起,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极发生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极发生错齿。 当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组发生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极发生错齿。顺次类推,A、B、C、D四相绕组轮番供电,则转子会沿着A、B、C、D方向滚动。

  四相步进电机依照通电次序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种作业办法。单四拍与双四拍的步距角持平,但单四拍的滚动力矩小。八拍作业办法的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍作业办法既能够坚持较高的滚动力矩又能够进步操控精度。

  单四拍、双四拍与八拍作业办法的电源通电时序与波形别离如图2.a、b、c所示。驱动器相当于开关的组合单元。经过上位机的脉冲信号有次序给电机相序通电使电机滚动。

  伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服操控器”、“伺服放大器”,是用来操控伺服电机的一种操控器,其效果类似于变频器效果于一般沟通马达,归于伺服体系的一部分,首要运用于高精度的定位体系。一般是经过方位、速度和力矩三种办法对伺服电机进行操控,完成高精度的传动体系定位,现在是传动技能的高端产品。

  能够完成比较杂乱的操控算法,完成数字化、网络化和智能化。功率器材遍及选用以智能功率模块(IPM)为中心规划的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,一起具有过电压、过电流、过热、欠压等毛病检测维护电路,在主回路中还参加软发动电路,以减小发动进程对驱动器的冲击。功率驱动单元首要经过三相全桥整流电路对输入的三相电或许市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再经过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步沟通伺服电机。功率驱动单元的整个进程能够简略的说便是AC-DC-AC的进程。整流单元(AC-DC)首要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

  跟着伺服体系的大规模运用,伺服驱动器运用、伺服驱动器调试、伺服驱动器修理都是伺服驱动器在当今比较重要的技能课题,越来越多工控技能服务商对伺服驱动器进行了技能深层次研讨。

  伺服驱动器是现代运动操控的重要组成部分,被广泛运用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。特别是运用于操控沟通永磁同步电机的伺服驱动器现已成为国内外研讨热门。当时沟通伺服驱动器规划中遍及选用依据矢量操控的电流、速度、方位3闭环操控算法。该算法中速度闭环规划合理与否,关于整个伺服操控体系,特别是速度操控功用的发挥起到关键效果。

  为了确保生产率和加工质量,除了要求有较高的定位精度外,还要求有杰出的快速照应特性,即要求盯梢指令信号的照应要快,由于数控体系在发动、制动时,要求加、减加快度足够大,缩短进给体系的过渡进程时刻,减小概括过渡差错。

  一般来说,伺服驱动用具稀有分钟乃至半小时内1.5倍以上的过载才能,在短时刻内能够过载4~6倍而不损坏。

  要求数控机床的进给驱动体系牢靠性高、作业安稳性好,具有较强的温度、湿度、振荡等环境适应才能和很强的抗搅扰的才能。

  1、从最低速到最高速电机都能平稳作业,转矩动摇要小,特别在低速如0.1r/min或更低速时,仍有平稳的速度而无匍匐现象。

  2、电机应具有大的较长时刻的过载才能,以满意低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4~6倍而不损坏。

  3、为了满意快速照应的要求,电机应有较小的滚动惯量和大的堵转转矩,并具有尽或许小的时刻常数和发动电压。

  首要视详细运用情况而定,简略地说要确认:负载的性质(如水平仍是笔直负载等),转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求,上位操控要求(如对端口界面和通讯方面的要求),首要操控办法是方位、转矩仍是速度办法。供电电源是直流仍是沟通电源,或电池供电,电压规模。据此以确认电机和配用驱动器或操控器的类型。

  依据电机的电流,配用大于或等于此电流的驱动器。假如需求低振荡或高精度时,可配用细分型驱动器。关于大转矩电机,尽或许用高电压型驱动器,以取得杰出的高速功用。

  2 相电机本钱低,但在低速时的轰动较大,高速时的力矩下降快。 5 相电机则振荡较小,高速功用好,比 2 相电机的速度高 30~50% ,可在部分场合替代伺服电机。

  直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机本钱低,结构简略,发动转矩大,调速规模宽,操控简略,需求维护,但维护便利(换碳刷),发生电磁搅扰,对环境有要求。因此它能够用于对本钱灵敏的一般工业和民用场合。 无刷电机体积小,重量轻,出力大,照应快,速度高,惯量小,滚动滑润,力矩安稳。操控杂乱,简略完成智能化,其电子换相办法灵敏,能够方波换相或正弦波换相。电机免维护,功率很高,作业温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。 沟通伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,现在运动操控中一般都用同步电机,它的功率规模大,能够做到很大的功率。大惯量,最高滚动速度低,且跟着功率增大而快速下降。因此适合做低速平稳作业的运用。

  上电作业前要作如下查看: 1) 电源电压是否适宜(过压很或许构成驱动模块的损坏);关于直流输入的 /- 极性必定不能接错,驱动操控器上的电机类型或电流设定值是否适宜(开端时不要太大); 2) 操控信号线接牢靠,工业现场最好要考虑屏蔽问题(如选用双绞线) 不要开端时就把需求接的线全接上,只连成最基本的体系,作业杰出后,再逐渐衔接。 4) 必定要搞清楚接地办法,仍是选用浮空不接。 5) 开端作业的半小时内要亲近调查电机的情况,如运动是否正常,声响和温升情况,发现问题当即停机调整。

  7, 步进电机发动作业时,有时动一下就不动了或原地来回动,作业时有时还会失步,是什么问题?

  一般要考虑以下方面作查看: 1) 电机力矩是否足够大,能否带动负载,因此咱们一般引荐用户选型时要选用力矩比实践需求大 50%~100% 的电机,由于步进电机不能过负载作业,哪怕是瞬间,都会构成失步,严峻时停转或不规则原地重复动。 2) 上位操控器来的输入走步脉冲的电流是否够大(一般要 》10mA ),以使光耦安稳导通,输入的频率是否过高,导致接纳不到,假如上位操控器的输出电路是 CMOS 电路,则也要选用 CMOS 输入型的驱动器。 3) 发动频率是否太高,在发动程序上是否设置了加快进程,最好从电机规则的发动频率内开端加快到设定频率,哪怕加快时刻很短,不然或许就不安稳,乃至处于惰态。 4) 电机未固定好时,有时会呈现此情况,则归于正常。由于,实践上此刻构成了电机的激烈共振而导致进入失步情况。电机有必要固定好。 5) 关于 5 相电机来说,相位接错,电机也不能作业。

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环操控元步进电机件,在非超载的情况下,电机的转速中止的方位只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数,而不受负载改变的影响,当步进驱动器接纳到一个脉冲信号,它就驱动步进电机安设定的方向滚动一个固定的视点,称为“步距角”,它的旋转是以固定的视点一步一步作业的。能够经过操控脉冲个数来操控角位移量,然后抵达准确认位的意图,一起能够经过操控脉冲频率来操控电机滚动的速度和加快度,然后抵达高速的意图。

  伺服电机又称履行电机,在自动操控体系中,用作履行元件,把收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器操控的U/V/W三相电构成电磁场,转子在此磁场的效果下滚动,一起电机自带的编码器反应信号给驱动器,驱动器依据反应值与方针值进行比较,调整转子滚动的视点。伺服电机的精度决议于编码器的精度(线数)也便是说伺服电机自身具有宣布脉冲的功用,它每旋转一个视点,都会宣布对应数量的脉冲,这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲构成了照应,所以它是闭环操控,步进电机是开环操控。

  步进电机和伺服电机的差异在于:1、操控精度不同。步进电机的相数和拍数越多,它的准确度就越高,伺服电机取块于自带的编码器,编码器的刻度越多,精度就越高。2、操控办法不同;一个是开环操控,一个是闭环操控。3、低频特性不同;步进电机在低速时易呈现低频振荡现象,当它作业在低速时一般选用阻尼技能或细分技能来战胜低频振荡现象,伺服电机作业十分平稳,即便在低速时也不会呈现振荡现象。沟通伺服体系具有共振按捺功用,可包括机械的刚性缺乏,而且体系内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点便于体系调整。4、矩频特性不同;

  步进电机的输出力矩会随转速升高而下降,沟通伺服电机为恒力矩输出,5、过载才能不同;步进电机一般不具有过载才能,而沟通电机具有较强的过载才能。6、作业功用不同;步进电机的操控为开环操控,发动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象,中止时转速过高易呈现过冲现象,沟通伺服驱动体系为闭环操控,驱动器可直接对电机编码器反应信号进行采样,内部构成方位环和速度环,一般不会呈现步进电机的丢步或过冲的现象,操控功用更为牢靠。7、速度照应功用不同;步进电机从停止加快到作业转速需求上百毫秒,而沟通伺服体系的加快功用较好,一般只需几毫秒,可用于要求快速启停的操控场合。

  综上所述,沟通伺服体系在许多功用方面都优于步进电机,可是价格比就不相同了。

  伺服的结构是怎样的?一个最简易的伺服操控单元,便是一个伺服电机加伺服操控器,今日就来解析下伺服电机与伺服操控器。

  安培定则,也叫右手螺旋定则,是表明电流和电流激起磁场的磁感线方向间联系的定则。通电直导线中的安培定则:用右手抓住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向便是磁感线的盘绕方向;通电螺线管中的安培定则:用右手抓住通电螺线管,使四指曲折与电流方向共同,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

  确认载流导线在外磁场中受力方向的定则。又称电动机定则。左手平展,大拇指与其他4指笔直,手心冲着N级,4指为电流方向,大拇指为载流导线在外磁场中受力方向。

  ※ SERVO 语源自拉丁语,原意为“奴隶”的意思,指经由闭环操控办法抵达一个机械体系的方位,扭矩,速度或加快度的操控,是自动操控体系中的履行单元,是把上位操控器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

  1. 同步型:选用永磁式同步马达,停电时发电效应,因此刹车简略, 但因制程资料上的问题,马达容量受限制。〔回转子:永久磁铁;固定子:线. 感应型:感应形马达与泛用马达结构类似,结构巩固、高速时转矩体现杰出,但马达较易发热,容量(7.5KW以上)大多为此方法。回转子、固定子皆为线. 直流型:直流伺服马达,有碳刷作业磨耗所发生粉尘的问题,于无尘要求的场所就不宜运用,以小容量为主。〔回转子:线圈;固定子:永久磁铁;整流子:磁刷〕

  专长长处:1. 免维护。2. 耐环境性佳。3. 转矩特性佳,定转矩。4. 停电时可发电剎车。5. 尺度小、重量轻。6. 高功率。

  缺陷:1. AMP较DC形结构杂乱。2. MOTOR及AMP必需1:1调配运用。3. 永久磁石有消磁的或许。

  专长长处:1. 维护简略。2. 耐环境性佳。3. 高速时,转矩特性佳。4. 可制做大容量,功率佳。5. 结构巩固。

  缺陷:1. 小容量机种,功率差。2. AMP较DC形结构杂乱。3. 停电时,无法动态剎车。4. 随温度变化影响特性。5. AMP与MOTOR必需1:1运用。

  专长长处:1. 伺服驱动器结构简略。2. 停电时可发电剎车。3. 体积小、价格低。4. 功率佳。

  缺陷:1. 整流子外围需定时保养。2. 碳刷磨耗发生(碳粉),无法运用于要求凊絜的场所。3. 因整流器碳刷的问题,高速时转矩差。4. 永久磁石有消磁的或许。

  伺服体系的最大特征:透过回馈信号的操控办法〔可做指令值与方针值的比较,因此大幅削减差错情况〕。

  何谓回馈信号:向操控方针下达指令后,正确的追寻并查明现在值,且随时回馈操控内容的偏差值、待方针物抵达意图地后,回馈方位值,如此重复动作。

  操控流程:检测机械本体之方位检出,回路为封闭体系,称之为全闭回路 。相反,检测马达轴端之回路体系就称为半闭回路。

  整流部:经过整流部,将沟通电源变为直流电源,经电容滤波,发生平稳无脉动的直流电源。

  逆变部:由操控部过来的SPWM信号,驱动IGBT,将直流电源变为SPWM波形,以驱动伺服电机。

  操控部分:伺服单元选用全数字化结构,经过高功用的硬件支撑,完成闭环操控的软件化,现在一切的伺服已选用(DSP数字信号处理)芯片,DSP,能够履行方位、速度、转矩和电流操控器的功用。给出PWM信号操控信号效果于功率驱动单元,并能够接纳处理方位与电流反应,具有通讯接口。

  编码器:伺服电机配有高功用的转角丈量编码器,能够准确丈量转子的方位与电机的转速。

  现在,伺服操控体系的输出器材越来越多地选用开关频率很高的新式功率半导体器材,首要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管 (MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。这些先进器材的运用显着地下降了伺服单元输出回路的功耗,进步了体系的照应速度,下降了作业噪声。

  特别值得一提的是,最新式的伺服操控体系现已开端运用一种把操控电路功用和大功率电子开关器材集成在一起的新式模块,称为智能操控功率模块(Intelligent Power Modules,简称IPM)。这种器材将输入阻隔、能耗制动、过温、过压、过流维护及毛病诊断等功用悉数集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号彻底兼容,与微处理器的输出能够直接接口。它的运用显着地简化了伺服单元的规划,并完成了伺服体系的小型化和微型化。

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