伺服、步進、變頻三大控制要點詳解

工業(yè)機器人周邊運動控制部分主要有伺服控制、步進控制、變頻控制三大部分，下面讓我們來一一解答這些控制要點。

伺服控制

一、交流伺服電機的工作原理

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。伺服電機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)動部件分類分為：

a. 步進電動機伺服系統(tǒng)。

b. 直流電動機伺服系統(tǒng)。

c. 交流電動機伺服系統(tǒng)。

三、伺服馬達（交流）的特點

１. 定位精度高，普通伺服馬達可達到0.036度

２. 回應(yīng)時間快。

３. 控制方便靈活，控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)。

４. 型號較多，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，可適時監(jiān)控運行狀況，進行適當(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. 確定機械規(guī)格，負載、剛性等參數(shù)。

2. 確認動作參數(shù)，移動速度、行程、加減速時間、周期、精度等。

3. 選擇馬達慣量，負載慣量、馬達軸心轉(zhuǎn)換慣量、轉(zhuǎn)子慣量。

4. 選擇馬達回轉(zhuǎn)速度。

5. 選擇馬達額定扭矩。負載扭矩、加減速扭矩、瞬間最大扭矩、實效扭矩。

6. 選擇馬達機械位置解析度。

7. 根據(jù)以上選擇馬達型號。

六、伺服控制的應(yīng)用

步進控制

一、步進電機的工作原理

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

二、步進電機的分類

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

●永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；

●反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

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

三、步進電機系統(tǒng)

1. 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語

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

c. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。

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

e. 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。

2. 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語

a. 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。

b. 失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(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. 最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

e. 最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

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

四、步進電機選型

1. 步距角的選擇：電機的步距角取決于負載精度的要求 。

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

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

五、步進電機的一些特點

1. 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

2. 步進電機外表允許的最高溫度一般在攝氏130度以上 。

3. 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

4. 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于 一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

5. 步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)。

六. 兩種電機之性能比較

1. 控制精度不同

五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 ，對于帶標(biāo)準2500線編碼器的電機而言，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°，伺服電機精度要比步進馬達高。

2. 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。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。

3. 過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力 。

4. 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，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。

5. 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，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，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

6. 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，交流伺服電機為恒力矩輸出。

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。

變頻控制

一、通用電機介紹

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

感應(yīng)電機的構(gòu)造示意圖

電機的構(gòu)造示意圖

電機的特性

二、變頻器原理與構(gòu)成

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

變頻器是通過改變交流電機電源頻率實現(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，可以進行再生運轉(zhuǎn)。

2. 平波回路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)。裝置容量小時，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，以所確定的時間使6 個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3 相交流輸出。

4. 制動回路

異步電動機在再生制動區(qū)域使用時(轉(zhuǎn)差率為負)，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，由機械系統(tǒng)(含電動機)慣量積累的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動回路(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

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