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伺服電機的這三種控制方式

2020-07-20 16:48:00
龍工
原創(chuàng)
2634

       伺服系統(tǒng)(servo mechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度,從而實現(xiàn)位移,因為,伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度,都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng),或者叫閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會知道發(fā)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(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)精確的定位。


簡單介紹了一下伺服電機的工作原理,接著看看它的三種控制方式:

1、位置模式

2、轉(zhuǎn)矩模式

3、速度模式

下面,就來依序看一下伺服電機的這三種控制方式到底是怎么回事。

1、位置模式

看這個名字,就能猜到個大概了,說白了就是對位置要求比較高,比如直線伺服模組這種機構(gòu),需要滑動機構(gòu)停止準(zhǔn)確,就用這種模式,說到這里,咱們順帶來看一下滾珠絲桿式模組的組成:



咱們自動化中應(yīng)用的基本都是這種模式,還有就是,在位置模式下,PLC一般都是以通過發(fā)送脈沖給驅(qū)動器的方式,來控制伺服系統(tǒng)。

那這種模式下,PLC又是怎么控制伺服電機的呢:通過發(fā)送的脈沖的頻率,來確定轉(zhuǎn)動速度的大?。煌ㄟ^發(fā)送脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度;當(dāng)然也有些伺服系統(tǒng),PLC可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。


由于位置模式對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制,所以一般應(yīng)用于需要精確定位的裝置,比如像上面說的直線模組,還有數(shù)控機床,印刷機械等等,可以說這種模式是應(yīng)用最廣的。


2、轉(zhuǎn)矩模式

我剛才說的例子中,后來就是應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩模式解決了問題,當(dāng)時具體情況是:機械手夾取住產(chǎn)品在給機床上料時,機床液壓頂針需要將產(chǎn)品頂進主軸中,在這種情況下,剛好用到了轉(zhuǎn)矩模式,在頂針頂住產(chǎn)品前進時,機械手伺服電機用轉(zhuǎn)矩模式,保證機械手在夾持住產(chǎn)品的同時,跟著產(chǎn)品一起前進。



一般來說,應(yīng)用轉(zhuǎn)矩模式,都是對電機的速度、位置沒有什么要求,只需要輸出一個恒轉(zhuǎn)矩,就像我剛才的那種使用工況。


和位置模式不同的是,轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接對地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩,比如說:伺服系統(tǒng)中,如果10V對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是5N·m,那么外部輸入模擬量設(shè)置為5V時,電機輸出轉(zhuǎn)矩就是2.5N·m。


這時,如果電機軸負(fù)載小于2.5N·m時,電機就會正轉(zhuǎn);負(fù)載大于2.5N·m時,電機會跟著負(fù)載方向轉(zhuǎn)動;當(dāng)然負(fù)載等于2.5N·m時,電機就不轉(zhuǎn)。


這種控制模式咱們使用的不是很多,一般都是應(yīng)用在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備,轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化,隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。


當(dāng)然,如果有其他場合用到了這種控制模式,也歡迎大家在評論區(qū)補充。

3、速度模式

在這種模式下,控制伺服電機的轉(zhuǎn)動速度有兩種方式:


1、外部對驅(qū)動器發(fā)送脈沖的頻率

就是通過上位機(比如PLC),對伺服驅(qū)動器發(fā)送的脈沖頻率,來控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度,這種方式和位置模式是一樣的。

2、通過模擬量的輸入

這個方式和轉(zhuǎn)矩模式差不多,0-10V分別對應(yīng)的不同速度,外部輸入模擬量設(shè)定為不同的電壓時,伺服電機就會輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

在速度模式下,伺服系統(tǒng)本身沒辦法做定位,如果想要實現(xiàn)定位功能,需要將電機的位置信號或者是負(fù)載的位置信號反饋給上位機,然后再由上位機進行運算控制,說白了就是:需要另外檢測電機或者負(fù)載的位置。

位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速,位置信號就由最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了。

這樣做的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加了整個系統(tǒng)的定位精度。


4、三個環(huán)

伺服電機一般為三個環(huán)控制,所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

下面這張是永磁同步伺服電動機伺服系統(tǒng)三環(huán)控制框圖:

1、電流環(huán)

電流環(huán)處于最內(nèi)側(cè),此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行,通過霍爾裝置,檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流,負(fù)反饋給電流的設(shè)定進行PID調(diào)節(jié),從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流,說白了,電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的,所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小,動態(tài)響應(yīng)最快。


2、速度環(huán)

速度環(huán)控制時,包含了速度環(huán)和電流環(huán),換句話說任何模式都必須使用電流環(huán),電流環(huán)是控制的根本,在速度和位置控制的同時,系統(tǒng)實際也在進行電流(轉(zhuǎn)矩)的控制。


3、位置環(huán)

位置環(huán)位于最外側(cè),它的作用就是用來幫助伺服電機準(zhǔn)確定位的。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的輸入設(shè)定,所以,位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有3個環(huán)的運算,此時的系統(tǒng)運算量最大,動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。


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