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伺服系統(tǒng)的三種基本組成形式

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關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng) 模擬調(diào)節(jié)器 數(shù)字偏差器

        模擬式、混合式、數(shù)字式。模擬式和混合式的輸入部分是模擬輸入,區(qū)別在于混合式伺服系統(tǒng)的輸入經(jīng)過(guò)數(shù)字偏差器后進(jìn)入模擬調(diào)節(jié)器。這三種方式的伺服系統(tǒng)都有位置反饋和速度反饋。

      目前的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合,的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)床的位移速度,定位精度和加工精度?,F(xiàn)在,直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代;伺服電機(jī)的位置,速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化;并采用了新的控制理論,實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)系統(tǒng)。

      其主要新發(fā)展的技術(shù)有:

      a.前饋控制技術(shù)。過(guò)去的伺服系統(tǒng),是把檢測(cè)器信號(hào)與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差,這使得在加工拐角及圓弧時(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制,就是在原來(lái)的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式,這樣使伺服系統(tǒng)的跟蹤滯后誤差大大減小。

      b.機(jī)械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)。對(duì)于一些具有較大靜止摩擦的數(shù)控機(jī)床,新型數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補(bǔ)償機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靜摩擦的非線性控制功能。

      c.伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)(包括電流環(huán))均采用軟件控制,如數(shù)字調(diào)解和矢量控制等。為適應(yīng)不同類型的機(jī)床,不同精度和不同速度要術(shù),預(yù)先調(diào)整加、減速性能。

      d.采用高分辨的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器,內(nèi)有微處理器組成的細(xì)分電路,使得分辨率大大提高,增量位置檢測(cè)為10000 p/r(脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn))以上;絕對(duì)位置檢測(cè)為1000000 p/r以上。

      e. 補(bǔ)償技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用?,F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有補(bǔ)償功能,可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償,如絲杠螺距誤差補(bǔ)償,齒側(cè)間隙補(bǔ)償、軸向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償和熱變形補(bǔ)償?shù)取?/span>

      另外,伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)在中都有應(yīng)用,這里介紹一下二者的區(qū)別:

      步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置,它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn),交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字中,特別在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然在控制方式上兩者相似(脈沖串和方向信號(hào)),但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異:

      1.控制精度不同:兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°,五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī),其步距角為0.09°;德國(guó)百格拉公司(berger lahr)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。而交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證,以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例,對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線的電機(jī)而言,由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù),其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言,驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈,即其脈沖當(dāng)量為 360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

      2.低頻特性不同:步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象,振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和性能有 關(guān),一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí),一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象,比如在電機(jī)上加阻尼器,或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。而交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋的剛性不足,并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(fft),可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn),便于系統(tǒng)調(diào)整。

      3.矩頻特性不同:步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降,所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300~600rpm。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出,即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000rpm或3000rpm)以內(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)矩,在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

      4.過(guò)載能力不同:步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力,而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍,可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力,在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī),而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩,便出現(xiàn)了 力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

      5.運(yùn)行性能不同:步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制,啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制,可直接對(duì)電機(jī)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。

      6.速度響應(yīng)性能不同:步進(jìn)電機(jī)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。交流的加速性能較好,以松下msma 400w交流伺服電機(jī)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(chǎng)合。


    (審核編輯: 智匯小新)