電動執(zhí)行器伺服電機工作原理

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現(xiàn)在介紹電動執(zhí)行器伺服電機工作原理這是一個工廠改造原本使用伺放大器電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）控制為無伺服控制的實例，伺服放大器的作用是實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，其改造的實質(zhì)是把PID調(diào)節(jié)功能移入DCS系統(tǒng)，用DCS來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)藍普電子多年開發(fā)電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）的經(jīng)驗，改造的前提作者沒有提及。下面文章中粉紅色文字部分為我加入的評語。電動執(zhí)行器-伺服電機的原理及應用
伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號，轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是：當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

一、電動執(zhí)行器伺服電機工作原理伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)
減速齒輪組由電機驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機定位的目的。 
伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（分辨率）。



1、 直流伺服電機：
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥輸入或輸出為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機。它的模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由2個閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設置了2個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個反饋閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，因而得到廣泛地應用。
直流伺服電機可應用在火花機，機器手，的機器等，同時可加配減速箱，令機器設備帶來可靠的準確性及高扭力。
2、交流伺服電機：
輸入或輸出為交流電能的旋轉(zhuǎn)電機。 交流伺服電機分為同步和異步電機。
同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。作為發(fā)電機運行是同步電機主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。
異步電機負載時的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。異步電機有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的傳動要求。缺點是異步電機運行時，必須從電網(wǎng)吸取無功勵磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。
因此，對驅(qū)動球磨機、壓縮機等大功率、低轉(zhuǎn)速的機械設備，常采用同步電機。由于異步電機的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差(交流換向器電動機除外)，適用于驅(qū)動無特殊性能要求的各種機械設備。對要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的交通運輸機械、軋機、大型機床、印染及造紙機械等，采用直流電機較經(jīng)濟、方便。



二、交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向
運動控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(xiàn)。
一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式、位置控制方式 。
速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。 
如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提率（比如大部分中運動控制器）。

1、轉(zhuǎn)矩控制：
轉(zhuǎn)矩控制方式，是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值，來設定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如：10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉(zhuǎn)矩的設定要根據(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。
2、位置控制：
位置控制模式，一般是通過外部輸入的脈沖的頻率，來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。
3、速度模式：
通過模擬量的輸入或脈沖的頻率，都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(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，位置信號就由直接的終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(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。



三、伺服與變頻
伺服的基本概念是準確、、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動器中同樣存在變頻（要進行無級調(diào)速）。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進行控制，這是很大的區(qū)別。
除此外，伺服電機的構(gòu)造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速響應和準確定位。現(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，但這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾KW以上的同步伺服價格及其昂貴，這樣在現(xiàn)場應用允許的情況下多采用交流異步伺服，這時很多驅(qū)動器就是變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制。所謂伺服就是要滿足準確、、快速定位，只要滿足就不存在伺服變頻之爭。 




1、兩者的共同點： 
交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應用了變頻的技術(shù)，在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機的速度就可調(diào)了（n=60f/p ，n轉(zhuǎn)速，f頻率， p極對數(shù)） 
2、談談變頻器： 
簡單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機的速度，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式。
現(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學模型的建立，將交流電機的定子磁場UVW3相，轉(zhuǎn)化為可以控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個電流的分量，UVW每相的輸出要加霍爾效應的電流檢測裝置，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調(diào)節(jié)。這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于v/f控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應特性要好很多。

四、談談伺服：
驅(qū)動器方面：伺服驅(qū)動器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進行了比一般變頻更的控制技術(shù)和算法運算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻強大很多，主要的一點可以進行的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置（當然也有些伺服內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設定在驅(qū)動器里），驅(qū)動器內(nèi)部的算法和更快更的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更*于變頻器。

數(shù)控伺服電機驅(qū)動式主傳動部件


五、電機方面：
伺服電機的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也就是說當驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機，電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅(qū)動伺服電機。

六、應用 
由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應用也不大相同： 
1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構(gòu)成閉環(huán)用變頻進行位置控制的，精度和響應都不高。 
2、在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服來實現(xiàn)，還有就是伺服的響應速度遠遠大于變頻，有些對度的精度和響應   要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代，關(guān)鍵是兩點：一是價格伺服遠遠高于變頻，二是功率的原因：變頻大的能做到幾百KW，甚至更高，而伺服大就幾十KW。
 

摘要:

水泥行業(yè)中，執(zhí)行機構(gòu)應用場合很廣。但原有的控制模式故障率偏高（這是作者原文，非常偏頗，作者改造后的控制電路并不見得比現(xiàn)在許多電動執(zhí)行器產(chǎn)品控制電路穩(wěn)定），對生產(chǎn)均衡穩(wěn)定地進行以及工藝參數(shù)的調(diào)整極為不利，控制作用不能很好地發(fā)揮。本文介紹利用“無伺服”控制概念對電動執(zhí)行機構(gòu)進行控制（其實是將伺服控制器的PID調(diào)節(jié)功能移入DCS控制系統(tǒng)而已）。  
主要技術(shù)指標 1. 反饋信號：Ⅲ型4~20mA DC，Ⅱ型0~10mA DC； 2. 輸入通道：三個； 3. 輸入通道阻抗：Ⅲ型 250Ω，Ⅱ型 200Ω； 4. 輸出扭矩：見表； 5. 全行程時間：見表； 6. 基本誤差：±2.5％； 7. 回差：≤1.5％； 8. 死區(qū)：≤3％； 9. 阻尼特性：≤3次半周期； 10. 電源：單相電壓220V％，頻率50Hz（380V 可特殊訂貨） 11. 使用環(huán)境：溫度：執(zhí)行機構(gòu)-25～+70℃放大器 0～50℃ 12. 防護等級：普通型 IP55，戶外型 IP66
1、改造原因  
 
我公司濕法生產(chǎn)線有幾十臺電動執(zhí)行機構(gòu)，大多數(shù)通過手操器、伺服放大器來實現(xiàn)對工藝閥門的控制。由于工況條件差、電子元器件易老化，伺服放大器容易發(fā)生故障，影響了整個執(zhí)行機構(gòu)的性能。如伺服放大器振蕩（也許是死區(qū)等沒有調(diào)好或者元件老化），引起執(zhí)行器振蕩（不一定就是伺服放大器引起，也許是電機剎車片老化、機械間隔增大引起的死區(qū)增大等原因），導致伺服電動機抱閘失靈（主要會引起振蕩，可以增大死區(qū)來解決，但控制精度降低），增加了執(zhí)行器伺服電動機的故障率，造成工藝參數(shù)的波動，影響了生產(chǎn)。  

2 電動執(zhí)行機構(gòu)（電動執(zhí)行器）外配伺服放大器控制原理 

其實可以看看藍普電子寫的《電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和工作原理》一文，對這一原理詳述得更清楚。

原控制原理框圖如圖1。手操器給定前置伺服放大器4～20mA信號，給定信號經(jīng)過和電動執(zhí)行器位置發(fā)送器反饋的4～20mA信號比較后，由電子開關(guān)與觸發(fā)器（一般電子開關(guān)和觸發(fā)器均內(nèi)置于伺服放大器中）控制電動執(zhí)行器伺服電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；同時，電動執(zhí)行器位置發(fā)送器反饋的4～20mA信號，也隨之發(fā)生變化，并把反饋信號送回前置磁放大器進行比較，直到給定與反饋信號平衡為止。由于反饋信號與手操器的顯示和伺服前置伺服放大器串聯(lián)，因此反饋與給定信號比較的同時，也在手操器上顯示反饋信號的變化過程。

 
電動執(zhí)行機構(gòu)（電動執(zhí)行器）伺服放大控制原理

圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)（電動執(zhí)行器）伺服放大控制原理  

伺服前置磁放大器中“調(diào)零”電位器和“穩(wěn)定”電位器（智能型產(chǎn)品中也許沒有電位器，用參數(shù)進行設定），是電動執(zhí)行機構(gòu)能否產(chǎn)生振蕩的關(guān)鍵，也是故障易發(fā)點（沒調(diào)好容易產(chǎn)生振蕩才是損壞的關(guān)鍵，其實質(zhì)是容易損壞功率模塊）；伺服電子開關(guān)與觸發(fā)器回路中可控硅、二極管、限流電感、單結(jié)晶管，也是故障易發(fā)點。  

3 利用“無伺服”技術(shù)控制執(zhí)行機構(gòu)  （實質(zhì)是將伺服部分功能移入DCS系統(tǒng)中了）

1999年11月開始的3號窯技改中，建立了3號窯系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)。同時，根據(jù)我們使用執(zhí)行器和無伺服改造的經(jīng)驗，在3號煤磨對袋除塵排風機入口閥、冷風閥等5臺執(zhí)行器進行了帶RC滅弧和RV壓敏電阻的無伺服控制改造（目前大多數(shù)電動執(zhí)行機構(gòu)都加有類似保護電路）。  
 
利用梯形圖程序(圖2)，對220V和380V電動執(zhí)行器，模擬實現(xiàn)了伺服放大器的比較、放大功能，用開關(guān)量輸出模塊實現(xiàn)了電動執(zhí)行器的驅(qū)動控制（相應的開關(guān)量控制信號要和電動執(zhí)行器要求的開關(guān)量輸入信號類型相符，而調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器已經(jīng)內(nèi)置伺服放大器，只能接授模擬量輸入，所以無法改造），利用模擬量輸入模塊完成工藝閥門位置反饋量采集（不明白怎么用模塊量輸入模塊完成閥門位置信號采集，這里我認為只有那種帶閥位反饋的執(zhí)行器才適合改造）。  

電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）無伺服控制梯形圖程序

圖2 無伺服控制梯形圖程序  
 

梯形圖程序中400101的值由操作員給定，經(jīng)除法與乘法運算取整后賦值給400135；同理300019為反饋值，經(jīng)除法與乘法運算取整后賦值給400140。400135與400140比較后分別驅(qū)動相應的000033線圈，使硬線路(見圖3)中的中間繼電器K1吸合，交流接觸器KM1動作，電動機正轉(zhuǎn)；反之驅(qū)動000034線圈，使硬線路中的中間繼電器K2吸合，交流接觸器KM2動作，電動機反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了現(xiàn)場電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）伺服電動機的無伺服正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。  

電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）控制原理

圖3 電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）控制原理  


DCS:控制系統(tǒng)；ESR:執(zhí)行器位置發(fā)送器；Q:電源低壓斷路器；Q1、Q2:維護、維修開關(guān)；RC:滅弧裝置；RV:壓敏電阻  

梯形圖程序中“#100”是取整運算值。“100”實際是控制閥門開度的精度，即死區(qū)控制范圍。在精度要求高的控制中可取“#50”或更小，它相當于伺服前置磁放大器中“穩(wěn)定”電位器的作用。000581為程序中的復位線圈。“#40”為驅(qū)動輸出保持40s后，自動斷開輸出。  
 
  造后硬線路可同時適用220V和380V。  
 
選用220V或380V執(zhí)行器，由于是集中控制，每臺電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行器）須增加兩只中間繼電器和1臺機旁控制箱；若能與生產(chǎn)廠協(xié)商，將接觸器及RC滅弧裝置和壓敏電阻安裝于電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）內(nèi)部，則可方便安裝與操作。我公司已對生產(chǎn)線上的西門子執(zhí)行器進行了如上改造。  

4 使用效果  

改造后的5臺無伺服控制執(zhí)行機構(gòu)（電動執(zhí)行器）已投運半年多，自控性能大大提高，*適應水泥生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)境，無需人為干預，運行可靠，故障率低，維護量大大減少，降低了維修成本，同時節(jié)省了手操器和伺服放大器的投入費用。RC滅弧裝置、RV壓敏電阻可以抑制驅(qū)動回路拉弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證控制回路安全有效的運行。為工藝操作提供了穩(wěn)定、準確的參數(shù)，方便了操作，完善了系統(tǒng)功能。 
總結(jié)，以上改造方法要求電動執(zhí)行機構(gòu)（電動執(zhí)行器）是帶閥位反饋的開關(guān)型電動執(zhí)行器（電動執(zhí)行機構(gòu)）。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求