伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节,伺服驱动器中同样存在变频(要进行无级调速)。
但伺服将電(diàn)流环速度环或者位置环都闭合进行控制,这是很(hěn)大的區(qū)别。除此外,伺服電(diàn)机的构造与普通電(diàn)机是有(yǒu)區(qū)别的,要满足快速响应和准确定位。
现在市面上流通的交流伺服電(diàn)机多(duō)為(wèi)永磁同步交流伺服,但这种電(diàn)机受工艺限制,很(hěn)难做到很(hěn)大的功率,十几KW以上的同步伺服价格及其昂贵,这样在现场应用(yòng)允许的情况下多(duō)采用(yòng)交流异步伺服,这时很(hěn)多(duō)驱动器就是高端变频器,带编码器反馈闭环控制。
所谓伺服就是要满足准确、精确、快速定位,只要满足就不存在伺服变频之争。
一、两者的共同点
交流伺服的技术本身就是借鉴并应用(yòng)了变频的技术,在直流電(diàn)机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流電(diàn)机的控制方式来实现的,也就是说交流伺服電(diàn)机必然有(yǒu)变频的这一环节。
变频就是将工频的50、60HZ的交流電(diàn)先整流成直流電(diàn),然后通过可(kě)控制门极的各类晶體(tǐ)管(IGBT,IGCT等)通过载波频率和PWM调节逆变為(wèi)频率可(kě)调的波形类似于正余弦的脉动電(diàn),由于频率可(kě)调,所以交流電(diàn)机的速度就可(kě)调了(n=60f/p ,n转速,f频率, p极对数)。
二、谈谈变频器
简单的变频器只能(néng)调节交流電(diàn)机的速度,这时可(kě)以开环也可(kě)以闭环,要视控制方式和变频器而定,这就是传统意义上的V/F控制方式。
现在很(hěn)多(duō)的变频已经通过数學(xué)模型的建立,将交流電(diàn)机的定子磁场UVW3相转化為(wèi)可(kě)以控制電(diàn)机转速和转矩的两个電(diàn)流的分(fēn)量,现在大多(duō)数能(néng)进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用(yòng)这样方式控制力矩,UVW每相的输出要加霍尔效应的電(diàn)流检测装置,采样反馈后构成闭环负反馈的電(diàn)流环的PID调节;ABB的变频又(yòu)提出和这样方式不同的直接转矩控制技术,具體(tǐ)
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这样可(kě)以既控制電(diàn)机的速度也可(kě)控制電(diàn)机的力矩,而且速度的控制精度优于v/f控制,编码器反馈也可(kě)加可(kě)不加,加的时候控制精度和响应特性要好很(hěn)多(duō)。
三、谈谈伺服
驱动器方面:伺服驱动器在发展了变频技术的前提下,在驱动器内部的電(diàn)流环,速度环和位置环(变频器没有(yǒu)该环)都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算,在功能(néng)上也比传统的变频强大很(hěn)多(duō),主要的一点可(kě)以进行精确的位置控制。
通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置(当然也有(yǒu)些伺服内部集成了控制单元或通过总線(xiàn)通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里),驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能(néng)更优良的電(diàn)子器件使之更优越于变频器。
電(diàn)机方面:伺服電(diàn)机的材料、结构和加工工艺要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于变频器驱动的交流電(diàn)机(一般交流電(diàn)机或恒力矩、恒功率等各类变频電(diàn)机),也就是说当驱动器输出電(diàn)流、電(diàn)压、频率变化很(hěn)快的電(diàn)源时,伺服電(diàn)机就能(néng)根据電(diàn)源变化产生响应的动作变化,响应特性和抗过载能(néng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于变频器驱动的交流電(diàn)机,電(diàn)机方面的严重差异也是两者性能(néng)不同的根本。
就是说不是变频器输出不了变化那么快的電(diàn)源信号,而是電(diàn)机本身就反应不了,所以在变频的内部算法设定时為(wèi)了保护電(diàn)机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能(néng)力还是有(yǒu)限的,有(yǒu)些性能(néng)优良的变频器就可(kě)以直接驱动伺服電(diàn)机!!!
四、谈谈交流電(diàn)机
交流電(diàn)机一般分(fēn)為(wèi)同步和异步電(diàn)机:
1、交流同步電(diàn)机:就是转子是由永磁材料构成,所以转动后,随着電(diàn)机的定子旋转磁场的变化,转子也做响应频率的速度变化,而且转子速度=定子速度,所以称“同步”。
2、交流异步電(diàn)机:转子由感应線(xiàn)圈和材料构成。转动后,定子产生旋转磁场,磁场切割定子的感应線(xiàn)圈,转子線(xiàn)圈产生感应電(diàn)流,进而转子产生感应磁场,感应磁场追随定子旋转磁场的变化,但转子的磁场变化永遠(yuǎn)小(xiǎo)于定子的变化。
一旦等于就没有(yǒu)变化的磁场切割转子的感应線(xiàn)圈,转子線(xiàn)圈中也就没有(yǒu)了感应電(diàn)流,转子磁场消失,转子失速又(yòu)与定子产生速度差又(yòu)重新(xīn)获得感应電(diàn)流......所以在交流异步電(diàn)机里有(yǒu)个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。
3、对应交流同步和异步電(diàn)机变频器就有(yǒu)相映的同步变频器和异步变频器,伺服電(diàn)机也有(yǒu)交流同步伺服和交流异步伺服,当然变频器里交流异步变频常见,伺服则交流同步伺服常见。
五、应用(yòng)
由于变频器和伺服在性能(néng)和功能(néng)上的不同,所以应用(yòng)也不大相同:
1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很(hěn)高的一般用(yòng)变频器,也有(yǒu)在上位加位置反馈信号构成闭环用(yòng)变频进行位置控制的,精度和响应都不高。现有(yǒu)些变频也接受脉冲序列信号控制速度的,但好象不能(néng)直接控制位置。
2、在有(yǒu)严格位置控制要求的场合中只能(néng)用(yòng)伺服来实现,还有(yǒu)就是伺服的响应速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于变频,有(yǒu)些对速度的精度和响应要求高的场合也用(yòng)伺服控制,能(néng)用(yòng)变频控制的运动的场合几乎都能(néng)用(yòng)伺服取代,关键是两点:一是价格伺服遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于变频,二是功率的原因:变频最大的能(néng)做到几百KW,甚至更高,伺服最大就几十KW。
五、為(wèi)什么普通電(diàn)机不能(néng)当变频電(diàn)机使用(yòng)?
普通電(diàn)动机是按恒频恒压设计的,不可(kě)能(néng)完全适应变频器调速的要求,因此不能(néng)多(duō)做变频電(diàn)机使用(yòng)。
◆变频器对電(diàn)机的影响主要在電(diàn)动机的效率和温升
变频器在运行中能(néng)产生不同程度的谐波電(diàn)压和電(diàn)流,使電(diàn)动机在非正弦電(diàn)压、電(diàn)流下运行,里面的高次谐波会引起電(diàn)动机定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗增加,最為(wèi)显著的是转子铜耗,这些损耗会使電(diàn)动机额外发热,效率降低,输出功率减小(xiǎo),普通電(diàn)动机温升一般要增加10%-20%。
◆電(diàn)动机的绝缘强度问题
变频器载波频率从几千到十几千赫,使得電(diàn)动机定子绕组要承受很(hěn)高的電(diàn)压上升率,相当于对電(diàn)动机施加陡度很(hěn)大的冲击電(diàn)压,使電(diàn)动机的匝间绝缘承受较為(wèi)严重的考验。
◆谐波電(diàn)磁噪声与震动
普通電(diàn)动机采用(yòng)变频器供電(diàn)时,会使由電(diàn)磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频電(diàn)源中含有(yǒu)的各次谐波与電(diàn)动机電(diàn)磁部分(fēn)固有(yǒu)空间谐波相互干涉,形成各种電(diàn)磁激振力,从而加大噪声。
由于電(diàn)动机的工作频率范围宽,转速变化范围大,各种電(diàn)磁力波的频率很(hěn)难避开電(diàn)动机的各结构件的固有(yǒu)振动频率。
◆低转速时的冷却问题
当電(diàn)源频率较低时,電(diàn)源中的高次谐波所引起的损耗较大;其次变通電(diàn)机转速降低时,冷却风量与转速的三次方成正比减小(xiǎo),致使電(diàn)机热量散发不出去,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。