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机器人用伺服电机基础知识

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伺服电机的概述

伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制,实现高精度的传动系统定位。

一、伺服电机的分类

分为直流和交流伺服电动机两大类,交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机,目前交流系统正在逐渐代替直流系统。与直流系统相比,交流伺服电机具有高可靠性、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态下等优点。因为无电刷和转向器,故交流私服系统也成为无刷伺服系统,用于其中的电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机。

1)直流伺服电机分为有刷和无刷电机

①有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对使用环境有要求,通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合;

②无刷电机体积小重量轻,出力大响应快,速度高惯量小,力矩稳定转动平滑,控制复杂,智能化,电子换相方式灵活,可以方波或正弦波换相,电机免维护,高效节能,电磁辐射小,温升低寿命长,适用于各种环境。

二、不同类型伺服电机的特点

1)直流伺服电机的优点和缺点

优点:速度控制精确,转矩速度特性很硬,控制原理简单,使用方便,价格便宜。

缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)

2)交流伺服电机的优点和缺点

优点:速度控制特性良好,在整个速度区内可实现平滑控制,几乎无振荡,90%以上的高效率,发热少,高速控制,高精确度位置控制(取决于编码器精度),额定运行区域内,可实现恒力矩,惯量低,低噪音,无电刷磨损,免维护(适用于无尘、易爆环境)。

缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数确定,需要更多的连线。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

三、伺服系统接线图

1. 驱动器接线

伺服驱动器主要有控制回路电源、主控制回路电源、伺服输出电源、控制器输入CN1、编码器接口CN2、连接起CN3。控制回路电源是单相AC电源,输入电源可单相、三相,但是必须是220v,就是说三相输入时,咱们的三相电源必须经过变压器变压才能接,对于功率较小的驱动器,可单相直接驱动,单相接法必须接R、S端子。伺服电机输出U、V、W切记千万不能与主电路电源连接,有可能烧毁驱动器。CN1端口主要用于上位机控制器的连接,提供输入、输出、编码器ABZ三相输出、各种监控信号的模拟量输出。

2. 编码器接线

从上图看出九个端子我们只使用了5个,一个屏蔽线、电源线两根、串行通讯信号(+-)两根,与我们普通的编码器接线差不多。

3. 通讯端口

驱动器通过CN3端口与电脑PLC、HMI等上位机相连接,采用MODBUS通讯来控制驱动器,可使用RS232、RS485进行通讯。

四、伺服驱动器市场

机器人对关节驱动电机的要求非常严格,交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。目前国内高端市场主要被国外名企占据,主要来自日本和欧美,未来国产替代空间大。目前国外品牌占据了中国交流伺服市场近80%的市场份额,主要来自日本和欧美。其中,日系产品以约50%的市场份额居首,其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等,其产品特点是技术和性能水平比较符合中国用户的需求,以良好的性价比和较高的可靠性获得了稳定且持续的客户源,在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势。

2019年11月7日 13:26
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