關(guān)于工業(yè)伺服電機(jī)的介紹

上一期我們大體介紹了電動(dòng)汽車的電機(jī)選擇和電機(jī)電流檢測，本篇文章我們將著重介紹工業(yè)伺服電機(jī)。

自智能制造2025提出以來，工廠的自動(dòng)化改造一直在逐步推進(jìn)中，常見的比如快遞中轉(zhuǎn)站的分揀機(jī)器人所使用的機(jī)械臂。

使用最廣泛且實(shí)用性最高的工業(yè)機(jī)器人是具有多個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)機(jī)器人，相當(dāng)于人類的肩膀，肘部和手腕。它的工作原理類似于具有旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的人的手臂。控制器輸入的信號(hào)通過執(zhí)行器轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人精確移動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和自動(dòng)化產(chǎn)品主要涉及伺服電機(jī)、減速機(jī)、控制器和傳感器等。伺服電機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，一般安裝在機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”處，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”。

工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的便是伺服電機(jī)系統(tǒng)。“伺服電機(jī)”可以理解為絕對(duì)服從控制信號(hào)指揮的電機(jī)：在控制信號(hào)發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能即時(shí)停轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)是自動(dòng)控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機(jī)，其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，目標(biāo)瞄準(zhǔn)精確一詞。

伺服電機(jī)分為交流伺服和直流伺服兩大類。

直流伺服電機(jī)基本構(gòu)造與一般直流電動(dòng)機(jī)相似。電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E為電樞反電動(dòng)勢，K為常數(shù)，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變?chǔ)?，均可控制直流伺服電?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時(shí)間響應(yīng)。

交流伺服電機(jī)的基本構(gòu)造與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)）相似。如圖2所示，在定子上有兩個(gè)相空間位移90°電角度的勵(lì)磁繞組和控制繞組，接恒定交流電壓，利用施加到控制繞組上的交流電壓或相位的變化，達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。交流伺服電機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可控性好、響應(yīng)快速、靈敏度高以及機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴(yán)格（要求分別小于10％～15％和小于15％～25％）等特點(diǎn)。

圖 2 交流伺服電機(jī)基本構(gòu)造

交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)的。

機(jī)器人用伺服電機(jī)要求控制器與伺服之間的總線通訊速度快；伺服的精度高；另外對(duì)基礎(chǔ)材料有加工要求。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過載。

伺服電機(jī)要求連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或線性運(yùn)動(dòng)的速度保持恒定，或者精確控制運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度和移動(dòng)距離。伺服電機(jī)由無刷直流或交流電機(jī)，編碼器和驅(qū)動(dòng)器組成。根據(jù)以上要求，進(jìn)行閉環(huán)控制。即：

1、為了使無刷直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定，編碼器檢測轉(zhuǎn)速。

· 如果檢測到的速度比設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度慢，則伺服放大器控制使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更快；

· 如果檢測到的速度小于設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度，則伺服放大器進(jìn)行控制。

2、為了精確地控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角，編碼器檢測旋轉(zhuǎn)角。伺服放大器通過檢查電動(dòng)機(jī)是否已移動(dòng)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角來控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角。

如圖3所示從控制看，伺服一般是三環(huán)系統(tǒng)：外環(huán)位置環(huán)，內(nèi)環(huán)依次為速度還和電流環(huán)。

圖 3 伺服電機(jī)閉環(huán)控制

這里提到編碼器一詞，編碼器是對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和線性位移進(jìn)行編碼的傳感器，用于需要高精度且快速運(yùn)行的設(shè)備中。編碼器是將角位移（碼盤測量）或者直線位移（碼尺測量）的信號(hào)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以通訊、傳輸、存儲(chǔ)的電信號(hào)形式的設(shè)備。伺服電機(jī)的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。

按照檢測類型檢測旋轉(zhuǎn)的編碼器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測線性位移的編碼器稱為線性編碼器。

按照工作原理有增量式編碼器和絕對(duì)值編碼器。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換為周期性的電信號(hào)，再轉(zhuǎn)為計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)值編碼器是每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，數(shù)值只與測量的起始位置和終止位置有關(guān)。

如圖4所示為使用增量型編碼器的伺服系統(tǒng)其中一種工作原理圖。檢測光是否通過安裝在電機(jī)軸上旋轉(zhuǎn)的碼盤的徑向上的縫隙的方法。光脈沖信號(hào)通過狹縫時(shí)會(huì)發(fā)生變化，并且可以通過對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)量。

圖 4 增量編碼器伺服系統(tǒng)的90°位相差脈沖控制

提到脈沖檢測，不得不說到伺服電機(jī)控制方式有脈沖控制、模擬量控制和通訊控制三種，上圖展示的即為脈沖控制的其中一種。其原理是：驅(qū)動(dòng)器接收兩路（A、B路）高速脈沖，通過兩路脈沖的相位差，確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。如上圖中，如果B相比A相快90度，為正轉(zhuǎn)；那么B相比A相慢90度，則為反轉(zhuǎn)。運(yùn)行時(shí)，這種控制的兩相脈沖為交替狀，因此我們也叫這樣的控制方式為差分控制。具有差分的特點(diǎn)，這種控制方式，控制脈沖具有更高的抗干擾能力，在一些干擾較強(qiáng)的應(yīng)用場景，優(yōu)先選用這種方式。但是這種方式一個(gè)電機(jī)軸需要占用兩路高速脈沖端口。

如圖表5所示，脈沖控制的形式還有兩種即“正脈沖列+負(fù)脈沖列”和“脈沖+符號(hào)”。

圖 5 伺服電機(jī)脈沖控制的三種方式

“正脈沖列+負(fù)脈沖列”模式下，驅(qū)動(dòng)器依然接收兩路高速脈沖，但是兩路高速脈沖并不同時(shí)存在，一路脈沖處于輸出狀態(tài)時(shí)，另一路必須處于無效狀態(tài)。選用這種控制方式時(shí)，一定要確保在同一時(shí)刻只有一路脈沖的輸出。兩路脈沖，一路輸出為正方向運(yùn)行，另一路為負(fù)方向運(yùn)行。

脈沖+符號(hào)”模式下，只需要給驅(qū)動(dòng)器一路脈沖信號(hào)，電機(jī)正反向運(yùn)行由一路方向IO信號(hào)確定。這種控制方式控制更加簡單，高速脈沖口資源占用少，在一般的小型系統(tǒng)中，可以優(yōu)先選用這種方式。

以上是脈沖控制的電機(jī)伺服，對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)：

（1）輸出電流和電壓范圍。它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。

（2）效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通入手。

（3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

（4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。

（5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號(hào)，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。

這些要求當(dāng)中，第（3）、（4）點(diǎn)值得注意，即控制部分和驅(qū)動(dòng)部分的隔離。由于驅(qū)動(dòng)部分的大電流，導(dǎo)致微小的阻抗會(huì)被放大，由此帶來的控制部分和驅(qū)動(dòng)部分的參考電壓壓差，即地點(diǎn)位浮動(dòng)；另外，功率電路輸入端與主控電路的隔離，需要挑選合適的光耦。還有如圖6所示，在功率電路部分用隔離采樣運(yùn)放來對(duì)相電流，母線電流和母線電壓等進(jìn)行采樣，要注意采樣輸入端和輸出后進(jìn)入ADC部分的隔離。

圖 6 電機(jī)相電流和母線電流采樣圖解

談及光耦隔離控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，以PWM控制為例，即再PWM信號(hào)到達(dá)MOSFET組成的驅(qū)動(dòng)電路之前，增加一個(gè)高速隔離光耦，這樣不僅僅可以保證主控電路的穩(wěn)定性，更可以在進(jìn)行多路電機(jī)伺服時(shí)完成第一步明確的抗干擾同步保證。高速隔離光耦可以在ISOCOM的產(chǎn)品中進(jìn)行選擇。

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當(dāng)然，在一般的電機(jī)控制當(dāng)中也有光耦和功率驅(qū)動(dòng)輸出的集成電路組合，比如ISOCOM的ICPL3120是由一個(gè)紅外光發(fā)射二極管，光耦合到一個(gè)具有功率驅(qū)動(dòng)輸出的集成電路組成，ICPL3120非常適合于在電機(jī)控制逆變器和電源中驅(qū)動(dòng)電源IGBT和電機(jī)。

ISOCOM是一家領(lǐng)先的高性能紅外光電子器件制造商，專門從事光耦合器和光電開關(guān)的研發(fā)，ISOCOM提供一個(gè)完整而全面的光耦合器系列，便于選擇各類應(yīng)用場景需要的光耦。

ISOCOM光耦尤其在電力儀表、工業(yè)控制、變頻器、家用電器、激光設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域被廣泛使用，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。
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