伺服理论知识汇

1伺服理论汇步进电机定位不准的原因：步进电机定位不准一般由以下几方面原因引起：1、改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多；2、初速度太高，加速度太大，引起有时丢步；3、在用同步带的场合软件补偿太多或太少；4、马达力量不够；5、控制器受干扰引起误动作；6、驱动器受干扰引起；7、软件缺陷；针对以上问题分析如下：1、一般的步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿（不同的驱动器要求不一样）到来前数微秒被确定，否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。2、由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下，这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，容易过冲，导致定位不3、根据实际情况调整补偿参数值，（因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿）。4、适当地增大马达电流，提高驱动器电压（注意选配驱动器）选扭矩大一些的马达。5、系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源，降低其干扰能力（如屏蔽，加大间隔距离等），切断传播途径，提高自身抗干扰能力，常见措施：①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。在感性负载（如电磁继电器、电磁阀）两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20KHZ以上。6、软件做一些容错处理，把干扰带来影响消除。2位置环、速度环、电流环(位置比例23、速度前馈24)位置环、速度环、电流环，越是内侧的环，越需要提高其响应性，不遵守该原则，则会产生偏差和震动。由于电流环是最内侧的环，以确保了其充分的响应性，所以我们只需要调整位置环和速度环即可。调整的主要参数是：位置环增益、速度环增益、速度积分时间常数。位置环增益：是决定对指令位置跟随性的参数。与工件表面的优劣有密切关系，仅在驱动器工作在位置方式时有效，当伺服电机停止运行时，增加位置环比例增益，能提高伺服电机的刚性，即锁机力度。伺服系统的响应性取决于位置环增益，提高位置环增益，位置环响应和切屑精度都会改善，同时减少调整时间和循环时间，但位置环增益又受限于速度环特性和机械特性。为了提高响应性，如果仅提高位置环增益，作为伺服系统的整体的响应，容易产生震动，所以请一边注意响应性一边提高速度环增益。特点：位置环增益提高，响应性越高，定位时间越短。过大会引起震动和超调调整原则：在保证位置环系统稳定工作，位置不超差（过冲）的前提下，增大位置环的增益，以减小位置滞后量。简单的方法，提高位置环增益直至过冲，然后再降低位置环增益，即为刚度较好的位置环增益。速度环比例增益、速度积分时间常数速度环比例增益、速度积分时间常数仅对电机在运行时（有速度）起作用。速度环比例增益的大小，影响电机速度的响应快慢，为了缩短调整时间，需要提高速度环增益，控制超程或行程不足。速度环积分时间常数的大小，影响电机稳态速度误差的大小及速度环系统的稳定性。当伺服电机带上实际负荷时，由于实际负载转矩和负载惯量与缺省参数值设置时并不相符，速度环的带宽会变窄，如果此时的速度环带宽满足需求，没有发生电机速度爬行或振荡等现象，可以不调整速度环的比例增益及积分时间常数。如果实际负荷使电机工作不稳定，发生爬行或振荡现象，或者现有的速度环带宽不理想，则需要对速度环的比例增益、积分时间常数进行调整。速度环参数调整的原则：是保证速度环系统稳定，不振荡的前提下，使速度环响应最快，并且系统稳定工作。简单的方法是，提高速度环的比例增益，直至系统发生振荡，然后再降低一点速度环的比例增益，即为刚度较好速度环比例增益。速度环积分时间常数对于伺服系统来说为延迟因素，因此设定过大会延长定位时间，使响应性变差，当惯量较大有震动时若不加大，机械又会出现震动，要根据实际情况来调，设定的比较小，在定位时虽然偏差脉冲可能会更接近于0，但是达到稳定状态所需的时间可能会变长。速度环积分时间常数调整的原则：为了保证系统稳定的工作，应该调整速度环积分时间常数。调整的原则是，负载惯量折算到电机轴上的值与电机转子惯量的倍数越大，速度环积分时间常数的值应增加越大。速度环积分时间常数的提高，需相应的提高速度环比例增益，以提高速度环的响应时间。这二个参数的调整，是一个反复的过程，需要对负载准确的认识与经验。3调试规律1.适当调整位置比例系数与速度前馈系数，刚性太强时，刀痕不流畅，刚性太弱，雕刻出的成品细节差，X,Y,Z三个轴的刚性要保持一致。2.位置比例系数、速度前馈系数这2个参数越大，系统响应越快，越小，系统响应越慢。调整时，应优先调节速度前馈系数，其次为位置比例系数。3.当通过调整位置比例系数，速度前馈系数仍不能解决问题时。可通过调整这三个（保持电流百分比，闭环电流百分比，电流变化率）参数来改变系统响应速度。保持电流百分比越大，电流变化率越大，系统响应越快，电机温度越高。当电机容易发生超差报警时，请试着增大保持电流百分比与电流变化率。4.多段速中，那个速度段下有振动则加大这个速度段下的共振抑制系数。那个速度段下有尖锐的鸣叫声，则减小这个速度段下的共振抑制系数5.速度段一，速度段二，速度段三的数值除以628，得到电机的给定转速（单位为转每秒）5.行业要求：电机出力大，停止时过冲小，调整时间短。调试方案：加大电机运行电流，减小位置比例系数与速度前馈系数4电压影响速度，电流影响力矩步进电机的矩频特性，都是在某一特定电流电压下测试的数据，当电流电压发生变化，其矩频特性也会发生相应变化。举例来说：适用电压波动范围比较大的85电机来说，从24V到220V的驱动器都可以适用，YK85HB118-06A力矩为6N.m，这是在DC80V，平均电流5A的环境下的静转矩，在300转的时候力矩约5.2N.m；如果我们把电流提高到6A的话，静转矩则提升到6.3N.m，300转时的力矩提升到5.4N.m；如果把电压降低到DC24V，电流依然保持5A，静转矩只有5.7N.m，300转时的力矩就只有4.3N.m了。相对来说，相同电流的情况下，电压更多的影响步进电机的速度，比如57HB76-304，在DC24V时，空转最高2100转，如果用DC48V，空转最高可达3200转；在相同电压的情况下，调整电流对步进电机力矩的影响更突出。不过片面的谈电流影响力矩，电压影响速度是不正确的，无论电流还是电压的变化都将改变步进电机的矩频特性，改变电压同样改变步进电机的力矩，改变电流同样改变步进电机的高速性能。需要注意第一，增高电压或者增大电流，都会增加步进电机发热，步进电机温度过高会产生热退磁，所以尽量选择有一定余量的电机规格；第二，在电机力矩足够的情况下，我们尽量把电流设置到比额定电流略小一点的档位，这样可以延长步进电机和驱动器的使用寿命；第三，一款额定电压为80V的驱动器，我们尽量用到70V左右，YKC2608M-H额定电压AC18-80V，但是民用电和工业用电都存在一定的电压波动范围，机器上电和断电的瞬间峰值电流电压会很高，所以留一些余量将大大降低返修率。一些小品牌的步进电机驱动器会给使用100V电容的驱动器标称电压范围AC24-80V，如果用户真的按80V供电，那是有点危险的。5什么是伺服电机？伺服电机：是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。伺服电机的作用：伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。伺服电机的分类：直流伺服电机和交流伺服电机。直流伺服：直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷摩擦和换向干扰，因此灵敏度高，死区小，噪声低，寿命长，对周围电子设备干扰小。直流伺服电机的输出转速/输入电压的传递函数可近似视为一阶迟后环节，其机电时间常数一般大约在十几毫秒到几十毫秒之间。而某些低惯量直流伺服电机（如空心杯转子型、印刷绕组型、无槽型）的时间常数仅为几毫秒到二十毫秒。小功率规格的直流伺服电机的额定转速在3000r/min以上，甚至大于10000r/min。因此作为液压阀的控制器需配用高速比的减速器。而直流力矩伺服电机（即低速直流伺服电机）可在几十转/分的低速下，甚至在长期堵转的条件下工作，故可直接驱动被控件而不需减速。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。交流伺服电机的工作原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，其定子上装有两个位置互差90度的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并6不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小的体积和重量。步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适