從廣義上講,運動控制(Motion Control)就是控制物體的運動。還有人解釋運動控制是在電驅動技術研究基礎上發展而成的一門綜合性、多學科交叉技術。從實現方式上解釋,運動控制系統是通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的控制,來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量,使各種工作機械按人們期望的要求運行,以滿足生產工藝及其他應用的需要。
現代運動控制已成為電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科,如圖所示。
伺服系統的定義
伺服來自英文單詞“servo”,指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動,運動要素包括位置、速度和力矩。伺服系統的發展經歷了從液壓、氣動到電氣的過程,而電氣伺服系統包括驅動器伺服電機、反饋裝置和控制器。
伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值(或給定值)的任意變化而變化的自動控制系統。
伺服的主要任務是按控制命令的要求,對功率進行放大、變換與調控等處理,使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置能被控制得非常靈活、方便。
伺服系統通常根據伺服驅動機的種類來分類,有液壓式、氣動式以及電氣式。液壓伺服系統與電氣伺服系統相比有以下3個優點。
①體積小,重量輕,慣性小,可靠性好,輸出功率大。
②快速性好。
③剛度大(即輸出位移受外負載影響小),定位準確。
液壓伺服系統的缺點是加工難度大,抗污染能力差,維護不易,成本較高。氣動伺服系統按功能一般可分為位置控制系統、速度控制系統、力控制系統、位置與力復合控制系統。其中,位置控制系統和力控制系統應用和研究得比較多,速度控制系統應用和研究得比較少。氣動伺服的缺點是定位精度低。
電氣式伺服系統根據電氣信號可分為直流伺服系統和交流伺服系統兩大類。交流伺服系統又分為異步電機伺服系統和同步電機伺服系統兩種。
伺服系統的組成
伺服系統構成
伺服系統是具有反饋的閉環自動控制系統。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執行部分及被控對象組成,如圖所示。具體分為以下幾個組成部分:
①負載;
②機械傳動機構(直接剛性軸連接、絲杠、減速機、同步齒形帶等);
③電機(步進電機和伺服電機);
④抱閘(電機內部、外部);
⑤反饋元件(各種類型的編碼器或傳感器);
⑥驅動器(電流以及速度的開閉環控制);
⑦運動控制器(運動方式、位置控制);
⑧供電電源(強、弱電源);
⑨限位開關(硬限位);
⑩人機界面。
通常情況下,運動控制單元與位置控制單元是一體的,也就是說,位置控制是在運動控制單元中實現的,比如西門子(Siemens)運動控制器Simotion、TCPU。
下圖所示為西門子整個運動控制系統的裝配圖。其中,運動控制器(如Simotion控制器或者是PLC)通過Profibus對伺服驅動器進行控制,Drive-CLiQ是伺服驅動器的控制單元、整流單元、電機模塊以及編碼器進行數據交換的電纜。驅動器與電機的接線包括動力電纜與編碼器信號電纜 。
Siemens Simotion function manual伺服系統實物連接圖
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