工業(yè)機(jī)器人之伺服控制、步進(jìn)控制、變頻控制詳解

工業(yè)機(jī)器人周邊運(yùn)動(dòng)控制部分主要有伺服控制、步進(jìn)控制、變頻控制三大部分，下面讓我們來一一解答這些控制要點(diǎn)。

伺服控制

一、交流伺服電機(jī)的工作原理

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

二、伺服系統(tǒng)的組成及分類組成

伺服系統(tǒng)是以位置和角度為控制量的控制系統(tǒng)的總稱，與位置和角度相關(guān)聯(lián)的速度、角速度、加速度、力等為控制量的系統(tǒng)也包含在伺服系統(tǒng)內(nèi)。

分類

1. 按控制結(jié)構(gòu)分類分為：開環(huán)式、閉環(huán)式。

2. 按驅(qū)動(dòng)部件分類分為：

a. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。

b. 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。

c. 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。

三、伺服馬達(dá)（交流）的特點(diǎn)

１. 定位精度高，普通伺服馬達(dá)可達(dá)到0.036度

２. 回應(yīng)時(shí)間快。

３. 控制方便靈活，控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。

４. 型號(hào)較多，可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的類型。

５. 提供全閉環(huán)控制，可適時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整變換。

四、伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

五、伺服控制的選型步驟

1. 確定機(jī)械規(guī)格，負(fù)載、剛性等參數(shù)。

2. 確認(rèn)動(dòng)作參數(shù)，移動(dòng)速度、行程、加減速時(shí)間、周期、精度等。

3. 選擇馬達(dá)慣量，負(fù)載慣量、馬達(dá)軸心轉(zhuǎn)換慣量、轉(zhuǎn)子慣量。

4. 選擇馬達(dá)回轉(zhuǎn)速度。

5. 選擇馬達(dá)額定扭矩。負(fù)載扭矩、加減速扭矩、瞬間最大扭矩、實(shí)效扭矩。

6. 選擇馬達(dá)機(jī)械位置解析度。

7. 根據(jù)以上選擇馬達(dá)型號(hào)。

六、伺服控制的應(yīng)用

步進(jìn)控制

一. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

二、步進(jìn)電機(jī)的分類

現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

●永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；

●反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

●混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

三、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

1. 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語

a. 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。b.拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù) 。

c. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。

d. 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）

e. 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。

2. 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語

a. 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。

b. 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

c. 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 。

d. 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。

e. 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

f. 運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性 。

四、步進(jìn)電機(jī)選型

1. 步距角的選擇：電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求 。

2. 靜力矩的選擇：靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載 ，一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好 。

3. 電流的選擇：由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流

五、步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)

1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

2. 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度一般在攝氏130度以上 。

3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

4. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于 一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。

5. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)。

六. 兩種電機(jī)之性能比較

1. 控制精度不同

五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 ，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°，伺服電機(jī)精度要比步進(jìn)馬達(dá)高。

2. 低頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。

3. 過載能力不同

步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力 。

4. 運(yùn)行性能不同

步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

5. 速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電機(jī)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，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)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(chǎng)合。

6. 矩頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)。

變頻控制

一、通用電機(jī)介紹

三相鼠籠式交流電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)中最常見的一種，其構(gòu)造及特性如下：

感應(yīng)電機(jī)的構(gòu)造示意圖

電機(jī)的構(gòu)造示意圖

電機(jī)的特性

二、變頻器原理與構(gòu)成

變頻器是能夠簡(jiǎn)單、自由地改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種控制裝置。改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法如下。

變頻器是通過改變交流電機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速的：

變頻器的構(gòu)成如下：

1. 變流器(整流器)

大量使用的是二極管橋整流器，如圖1 所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。

2. 平波回路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感，采用簡(jiǎn)單的平波回路。

3. 逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3 相交流輸出。

4. 制動(dòng)回路

異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)(轉(zhuǎn)差率為負(fù))，再生能量存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)(含電動(dòng)機(jī))慣量積累的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路(開關(guān)和電阻)把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

三、變頻器的應(yīng)用目的及用途

變頻器和交流電機(jī)構(gòu)成的可調(diào)速傳動(dòng)稱為變頻器傳動(dòng)，其功能用途如下。其中可能互為關(guān)連，實(shí)際上無明確分類，此表僅作參考。