伺服電機(jī)控制方式有脈沖、模擬量和通訊控制這三種,在不同的應(yīng)用場景下,該如何確定選擇伺服電機(jī)控制方式?
1、伺服電機(jī)脈沖控制方式
在一些小型單機(jī)設(shè)備,選用脈沖控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定位,應(yīng)該是最常見的應(yīng)用方式,這種控制方式簡單,易于理解。基本的控制思路:脈沖總量確定電機(jī)位移,脈沖頻率確定電機(jī)速度。選用了脈沖來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制,翻開伺服電機(jī)的使用手冊,一般會(huì)有如下這樣的表格:
都是脈沖控制,但是實(shí)現(xiàn)方式并不一樣:
第一種,驅(qū)動(dòng)器接收兩路(A、B路)高速脈沖,通過兩路脈沖的相位差,確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。如上圖中,如果B相比A相快90度,為正轉(zhuǎn);那么B相比A相慢90度,則為反轉(zhuǎn)。運(yùn)行時(shí),這種控制的兩相脈沖為交替狀,因此我們也叫這樣的控制方式為差分控制。具有差分的特點(diǎn),那也說明了這種控制方式,控制脈沖具有更高的抗干擾能力,在一些干擾較強(qiáng)的應(yīng)用場景,優(yōu)先選用這種方式。但是這種方式一個(gè)電機(jī)軸需要占用兩路高速脈沖端口,對高速脈沖口緊張的情況,比較尷尬。
第二種,驅(qū)動(dòng)器依然接收兩路高速脈沖,但是兩路高速脈沖并不同時(shí)存在,一路脈沖處于輸出狀態(tài)時(shí),另一路必須處于無效狀態(tài)。選用這種控制方式時(shí),一定要確保在同一時(shí)刻只有一路脈沖的輸出。兩路脈沖,一路輸出為正方向運(yùn)行,另一路為負(fù)方向運(yùn)行。和上面的情況一樣,這種方式也是一個(gè)電機(jī)軸需要占用兩路高速脈沖端口。
第三種,只需要給驅(qū)動(dòng)器一路脈沖信號,電機(jī)正反向運(yùn)行由一路方向IO信號確定。這種控制方式控制更加簡單,高速脈沖口資源占用也最少。在一般的小型系統(tǒng)中,可以優(yōu)先選用這種方式。
2、伺服電機(jī)模擬量控制方式
在需要使用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制的應(yīng)用場景,我們可以選用模擬量來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制,模擬量的值決定了電機(jī)的運(yùn)行速度。模擬量有兩種方式可以選擇,電流或電壓。電壓方式,只需要在控制信號端加入一定大小的電壓即可。實(shí)現(xiàn)簡單,在有些場景使用一個(gè)電位器即可實(shí)現(xiàn)控制。但選用電壓作為控制信號,在環(huán)境復(fù)雜的場景,電壓容易被干擾,造成控制不穩(wěn)定;電流方式,需要對應(yīng)的電流輸出模塊。但電流信號抗干擾能力強(qiáng),可以使用在復(fù)雜的場景。
3、伺服電機(jī)通信控制方式
采用通信方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制的常見方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信的方式來對電機(jī)控制,是目前一些復(fù)雜、大系統(tǒng)應(yīng)用場景首選的控制方式。采用通信方式,系統(tǒng)的大小、電機(jī)軸的多少都易于裁剪,沒有復(fù)雜的控制接線。搭建的系統(tǒng)具有極高的靈活性。
伺服電機(jī)的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求,滿足何種運(yùn)動(dòng)功能來選擇。如果您對電機(jī)的速度、位置都沒有要求,只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩,當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。
如果對位置和速度有一定的精度要求,而對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心,用轉(zhuǎn)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(huán)控制功能,用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高,或者,基本沒有實(shí)時(shí)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(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看,轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小,驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最快;位置模式運(yùn)算量最大,驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最慢。
對運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí),需要實(shí)時(shí)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢(比如PLC,或低端運(yùn)動(dòng)控制器),就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快,可以用速度方式,把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上,減少驅(qū)動(dòng)器的工作量,提高效率(比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器);如果有更好的上位控制器,還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制,把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)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(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。
一般說驅(qū)動(dòng)器控制得好不好,每個(gè)廠家的都說自己做的最好,但是現(xiàn)在有個(gè)比較直觀的比較方式叫響應(yīng)帶寬。當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制或者速度控制時(shí)通過脈沖發(fā)生器給他一個(gè)方波信號,使電機(jī)不斷的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),不斷的調(diào)高頻率,示波器上顯示的是個(gè)掃頻信號,當(dāng)包絡(luò)線的頂點(diǎn)到達(dá)最高值的70.7%時(shí)表示已經(jīng)失步,此時(shí)的頻率的高低,就能顯示出誰的產(chǎn)品牛了,一般的電流環(huán)能作到1000Hz以上,而速度環(huán)只能作到幾十赫茲。
換一種比較專業(yè)的說法:
1、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制
轉(zhuǎn)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(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小,具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話,當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn),外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn),大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)??梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小,也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備,轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。
2、伺服電機(jī)位置控制:
置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小,通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制,所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。
3 、伺服電機(jī)速度模式:
過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制,在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位,但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號,此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速,位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了,這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差,增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。
4、談?wù)?環(huán)
伺服一般為三個(gè)環(huán)控制,所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán),此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行,通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流,負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié),從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流,電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的,所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。
第2環(huán)是速度環(huán),通過檢測的電機(jī)編碼器的信號來進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié),它的環(huán)內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定,所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán),換句話說任何模式都必須使用電流環(huán),電流環(huán)是控制的根本,在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流(轉(zhuǎn)矩)的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。
第3環(huán)是位置環(huán),它是最外環(huán),可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定,位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算,此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。