伺服系統主要由伺服驅動器、編碼器和伺服電機等部件構成。伺服系統是一種自動控制系統,能使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量跟隨輸入目標(或給定值)的變化而變化。伺服驅動器在接收下達的控制命令后,會發出信號給伺服電機驅動其轉動;與此同時,嵌入電機的編碼器將伺服電機的運動參數反饋給伺服驅動器,由伺服驅動器完成對信號的匯總、分析和修正。由此,伺服系統以閉環的形式精確控制了執行機構(電機等機械傳動裝置)的輸出變量。
1、構成
伺服驅動器主要由伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。
伺服驅動器大體可以劃分為功率板和控制板兩個模塊。功率板是強電部分(功率大、電流大、頻率低的電力部分),其中包括兩個單元,一是功率驅動單元IPM,用于電機的驅動,二是開關電源單元,為整個系統提供數字和模擬電源。控制板是弱電部分,是電機的控制核心,也是伺服驅動器技術核心控制算法的運行載體。控制板通過相應的算法輸出脈沖寬度調制(PWM)或脈沖頻率調制(PFM)信號,作為驅動電路的驅動信號,來改變逆變器的輸出功率,以達到控制交流伺服電機的目的。其中,逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成定頻定壓或調頻調壓交流電(一般為220V,50Hz正弦波)的轉換器。
伺服驅動器主要材料成本中,IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管,是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導通壓降兩方面的優點,用于功率驅動單元,能夠輔助直流電轉變為交流電。我國IGBT市場90%以上被外資企業占領,在短時間內IGBT實現國產化較為困難。
2、工作原理
控制單元是整個交流伺服系統的核心,是系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。控制板所采用的數字信號處理器(DSP)除了具有快速的數據處理能力外,還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路,如AC/DC(交流直流)轉換器、PWM發生器、定時/計數器電路、異步通訊電路、CAN(控制局域網絡)總線收發器以及高速的可編程靜態RAM(隨機存取存儲器)和大容量的程序存儲器等,可以實現比較復雜的控制算法,實現數字化、網絡化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流,得到相應的直流電。經過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅動伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。
伺服回路可根據輸入命令信號提供電機的比例控制。簡單的伺服驅動器包含用于控制扭矩的單個伺服回路。更先進的伺服驅動器可增設速度環,并且還可以包含位置環。在完整的伺服驅動器系統中,運動控制器發出的數字信號將命令所需的運動軌跡利用這三個伺服回路來優化性能。每個環路向后續環路發送信號,并監測適當的反饋元件,從而進行實時更正,以匹配命令參數。
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