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    【材料百科】機器人制作源動力之伺服電機

    編輯:jane2015-05-06 來源:百度百科 瀏覽次數:217

    伺服電機

    電機,俗稱“馬達”,是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產生驅動轉矩,作為用電器或各種機械的動力源。
          電機家族龐大,按照不同的標準劃分,每種名目下又可以分成很多種。今天,我們先來了解其中的一款,小型機器人制作經常使用到的伺服電機
          伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,是一種補助馬達間接變速裝置。
          伺服電機可使控制速度、位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統中,用作執行元件,且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉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,當信號電壓為零時無自轉現象,轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。


          工作原理

    1、伺服系統(servo mechanism)是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位,基本上可以這樣理解,伺服電機接收到1個脈沖,就會旋轉1個脈沖對應的角度,從而實現位移,因為,伺服電機本身具備發出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉一個角度,都會發出對應數量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫閉環,如此一來,系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機,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動,從而實現精確的定位,可以達到0.001mm。

    伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉子在此磁場的作用下轉動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器,驅動器根據反饋值與目標值進行比較,調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數)。

    直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低,結構簡單,啟動轉矩大,調速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護不方便(換碳刷),產生電磁干擾,對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應快,速度高,慣量小,轉動平滑,力矩穩定。控制復雜,容易實現智能化,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,可用于各種環境。

    交流伺服電機也是無刷電機,分為同步和異步電機,目前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運行的應用。

    交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區別:交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉矩脈動小。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

    選型比較

    交流伺服電動機

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

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

    永磁交流伺服電動機
      20世紀80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展,永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展,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動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后,世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。

    奧松機器人AX-12+伺服電機

    調試方法

    1、初始化參數

    在接線之前,先初始化參數。

    在控制卡上:選好控制方式;將PID參數清零;讓控制卡上電時默認使能信號關閉;將此狀態保存,確保控制卡再次上電時即為此狀態。
    在伺服電機上:設置控制方式;設置使能由外部控制;編碼器信號輸出的齒輪比;設置控制信號與電機轉速的比例關系。一般來說,建議使伺服工作中的最大設計轉速對應9V的控制電壓。比如,山洋是設置1V電壓對應的轉速,出廠值為500,如果你只準備讓電機在1000轉以下工作,那么,將這個參數設置為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。復查接線沒有錯誤后,電機和控制卡(以及PC)上電。此時電機應該不動,而且可以用外力輕松轉動,如果不是這樣,檢查使能信號的設置與接線。用外力轉動電機,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置

    3、試方向

    對于一個閉環控制系統,如果反饋信號的方向不正確,后果肯定是災難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應該以一個較低的速度轉動,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。使用這個指令或參數,看電機的轉速和方向是否可以通過這個指令(參數)控制。如果不能控制,檢查模擬量接線及控制方式的參數設置。確認給出正數,電機正轉,編碼器計數增加;給出負數,電機反轉轉,編碼器計數減小。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,使其一致。

    4、抑制零漂

    在閉環控制過程中,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,仔細調整,使電機的轉速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性,所以,不必要求電機轉速絕對為零。

    5、建立閉環控制

    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,電機應該已經能夠按照運動指令大致做出動作了。

    6、調整閉環參數

    細調控制參數,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,更多的是經驗,這里只能從略了。

    360度連續旋轉伺服電機

    制動方式

    用戶往往對電磁制動,再生制動,動態制動的作用混淆,選擇了錯誤的配件。

    動態制動器由動態制動電阻組成,在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。

    再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變回路反饋到直流母線,經阻容回路吸收。

    電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。

    三者的區別:

    (1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用,在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態制動器和電磁制動工作時不需電源。

    (2)再生制動的工作是系統自動進行,而動態制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。

    (3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動,否則可能造成放大器過載,動態制動器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動,否則可能造成動態制動電阻過熱。

    注意事項

    一、伺服電機油和水的保護

    A:伺服電機可以用在會受水或油滴侵襲的場所,但是它不是全防水或防油的。因此, 伺服電機不應當放置或使用在水中或油侵的環境中。

    B:如果伺服電機連接到一個減速齒輪,使用伺服電機時應當加油封,以防止減速齒輪的油進入伺服電機

    C:伺服電機的電纜不要浸沒在油或水中。

    二、伺服電機電纜→減輕應力

    A:確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負荷,尤其是在電纜出口處或連接處。

    B:在伺服電機移動的情況下,應把電纜(就是隨電機配置的那根)牢固地固定到一個靜止的部分(相對電機),并且應當用一個裝在電纜支座里的附加電纜來延長它,這樣彎曲應力可以減到最小。

    C:電纜的彎頭半徑做到盡可能大。

    三、伺服電機允許的軸端負載

    A:確保在安裝和運轉時加到伺服電機軸上的徑向和軸向負載控制在每種型號的規定值以內。

    B:在安裝一個剛性聯軸器時要格外小心,特別是過度的彎曲負載可能導致軸端和軸承的損壞或磨損

    C:最好用柔性聯軸器,以便使徑向負載低于允許值,此物是專為高機械強度的伺服電機設計的。

    D:關于允許軸負載,請參閱“允許的軸負荷表”(使用說明書)。

    四、伺服電機安裝注意

    A:在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機軸端時,不要用錘子直接敲打軸端。(錘子直接敲打軸端,伺服電機軸另一端的編碼器要被敲壞)

    B:竭力使軸端對齊到最佳狀態(對不好可能導致振動或軸承損壞)。

    永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優點有:

    ⑴無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養要求低。

    ⑵定子繞組散熱比較方便。

    ⑶慣量小,易于提高系統的快速性。

    ⑷適應于高速大力矩工作狀態。

    ⑸同功率下有較小的體積和重量。

    主要作用

    伺服電機在封閉的環里面使用。就是說它隨時把信號傳給系統,同時把系統給出的信號來修正自己的運轉。

    伺服電機也可用單片機控制。

    優點

    首先我們來看一下伺服電機和其他電機(如步進電機)相比到底有什么優點:

    1、精度:實現了位置,速度和力矩的閉環控制;克服了步進電機失步的問題;

    2、轉速:高速性能好,一般額定轉速能達到2000~3000轉;

    3、適應性:抗過載能力強,能承受三倍于額定轉矩的負載,對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用;

    4、穩定:低速運行平穩,低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。適用于有高速響應要求的場合;

    5、及時性:電機加減速的動態相應時間短,一般在幾十毫秒之內;

    6、舒適性:發熱和噪音明顯降低。

    簡單點說就是:平常看到的那種普通的電機,斷電后它還會因為自身的慣性再轉一會兒,然后停下。而伺服電機和步進電機是說停就停,說走就走,反應極快。但步進電機存在失步現象。

    伺服電機的應用領域就太多了。只要是要有動力源的,而且對精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機。如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設備。

    好啦!關于伺服電機,小奧就介紹到這里啦!更多機器人制作必備材料,歡迎持續關注奧松機器人中文官文“工善利器”之“材料百科”或關注奧松機器人官方微信訂閱號alsrobotbase

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