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STAC6-Q-110 applied motion步進電機

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     美國APPLIED MOTION伺服電機具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性

APPLIED MOTION伺服電機可以控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。APPLIED MOTION伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制,并能快速反應(yīng),在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性,可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

1、伺服系統(tǒng)(servo mechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位,基本上可以這樣理解,APPLIED MOTION伺服電機接收到1個脈沖,就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度,從而實現(xiàn)位移,因為,APPLIED MOTION伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以APPLIED MOTION伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度,都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖,這樣,和APPLIED MOTION伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng),或者叫閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給APPLIED MOTION伺服電機,同時又收了多少脈沖回來,這樣,就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)精確的定位,可以達到0.001mm。直流APPLIED MOTION伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低,結(jié)構(gòu)簡單,啟動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護不方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應(yīng)快,速度高,慣量小,轉(zhuǎn)動平滑,力矩穩(wěn)定??刂茝?fù)雜,容易實現(xiàn)智能化,其電子換相方式靈活,可以方波換相或正弦波換相。電機免維護,效率很高,運行溫度低,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環(huán)境。

2、交流APPLIED MOTION伺服電機也是無刷電機,分為同步和異步電機,運動控制中一般都用同步電機,它的功率范圍大,可以做到很大的功率。大慣量,最高轉(zhuǎn)動速度低,且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。

3、APPLIED MOTION伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。APPLIED MOTION伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。

交流APPLIED MOTION伺服電機和無刷直流APPLIED MOTION伺服電機在功能上的區(qū)別:交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單,便宜。

交流伺服電動機

交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組,一個是勵磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性,無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能,它與普通電動機相比,應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子,為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子,杯壁很薄,僅0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小,反應(yīng)迅速,而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。

交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時,定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn),在負載恒定的情況下,電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化,當(dāng)控制電壓的相位相反時,伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

永磁交流伺服電動機

20世紀80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展,各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后,世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優(yōu)點有:

⑴無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養(yǎng)要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小,易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

伺服電動機與單相異步電動機比較

交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似,但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多,所以伺服電動機與單機異步電動機相比,有三個顯著特點:

1、起動轉(zhuǎn)矩大

由于轉(zhuǎn)子電阻大,與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比,有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0>1,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機械特性)更接近于線性,而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此,當(dāng)定子一有控制電壓,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動,即具有起動快、靈敏度高的特點。

2、運行范圍較廣

3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動機失去控制電壓后,它處于單相運行狀態(tài),由于轉(zhuǎn)子電阻大,定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性(T1-S1、T2-S2曲線)以及合成轉(zhuǎn)矩特性(T-S曲線)

交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V;當(dāng)電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性,并且由于轉(zhuǎn)子電阻大,損耗大,效率低,因此與同容量直流伺服電動機相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

1、初始化參數(shù)

在接線之前,先初始化參數(shù)。 [2]

在控制卡上:選好控制方式;將PID參數(shù)清零;讓控制卡上電時默認使能信號關(guān)閉;將此狀態(tài)保存,確保控制卡再次上電時即為此狀態(tài)。

在APPLIED MOTION伺服電機上:設(shè)置控制方式;設(shè)置使能由外部控制;編碼器信號輸出的齒輪比;設(shè)置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說,建議使伺服工作中的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)9V的控制電壓。比如,山洋是設(shè)置1V電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,出廠值為500,如果你只準備讓電機在1000轉(zhuǎn)以下工作,那么,將這個參數(shù)設(shè)置為111。

2、接線

將控制卡斷電,連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的:控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復(fù)查接線沒有錯誤后,電機和控制卡(以及PC)上電。此時電機應(yīng)該不動,而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動,如果不是這樣,檢查使能信號的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機,檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化,否則檢查編碼器信號的接線和設(shè)置

3、試方向

對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng),如果反饋信號的方向不正確,后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這時伺服應(yīng)該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動,這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù),看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令(參數(shù))控制。如果不能控制,檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認給出正數(shù),電機正轉(zhuǎn),編碼器計數(shù)增加;給出負數(shù),電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負載,行程有限,不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓,建議在1V以下。如果方向不一致,可以修改控制卡或電機上的參數(shù),使其一致。

4、抑制零漂

在閉環(huán)控制過程中,零漂的存在會對控制效果有一定的影響,最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù),仔細調(diào)整,使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性,所以,不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。

5、建立閉環(huán)控制

再次通過控制卡將伺服使能信號放開,在控制卡上輸入一個較小的比例增益,至于多大算較小,這只能憑感覺了,如果實在不放心,就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時,電機應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。

6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)

細調(diào)控制參數(shù),確保電機按照控制卡的指令運動,這是必須要做的工作,而這部分工作,更多的是經(jīng)驗,這里只能從略了。

APPLIED MOTION伺服電機與步進電機的性能比較

步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng),和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn),交流APPLIED MOTION伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢,運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流APPLIED MOTION伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號),但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細分后步距角更小。如三洋公司(SANYO DENKI)生產(chǎn)的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

交流APPLIED MOTION伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流APPLIED MOTION伺服電機為例,對于帶標(biāo)準2000線編碼器的電機而言,由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù),其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機而言,驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈,即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°,是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。

二、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān),一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時,一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象,比如在電機上加阻尼器,或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。

交流APPLIED MOTION伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統(tǒng)調(diào)整。

三、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降,所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300~600RPM。交流APPLIED MOTION伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)矩,在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流APPLIED MOTION伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍,可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力,在選型時為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機,而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩,便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

五、運行性能不同

步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。

六、速度響應(yīng)性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200~400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以山洋400W交流APPLIED MOTION伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。

綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以,在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C。




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