直流伺服驱动器的选型

流伺服驱动器的规格与选择直流伺服驱动系统的应用非常广泛，举凡需要做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同步运转控制等场合，都是它主要的应用范围。在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作界面会有所不同，但其应用方法与控制原理可说是大同小异。本文将说明直流伺服驱动系统的组成，伺服系统要求规格，驱动器的规格、型式、特性与工作原理，最后再介绍一些应用实例。
  一个伺服电机驱动系统的基本结构如图1所示，通常包含三个主要部份：伺服电动机、速度回路驱动器与位置回路控制器。伺服电机可根据应用的需要而决定是否加装转速计(tachometer)、光编码器(photo encoder)或刹车(braker)。一般商品化的伺服驱动器即是指速度回路驱动器，其中包含了功率放大器与速度回路控制器，并包含适当的应用界面电路，因而能够根据应用场合做适当的组合。位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面，亦包含一些较高层次的位置命令与参数调整等界面设定，通常为一可单独销售的产品。
图1　伺服电机驱动系统基本结构
  附录A为日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动器的规格书，其主要规格如表1所列。以PDT-093-10为例，其配合直流伺服 电机为SM60-201，转子惯量为0.27×10-3Kg．cm sec2。主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式，为晶体管脉宽调变(PWM)型，可逆是指可工作于正反转，因此可工作于四象限工作区。减定规格(wave factor) 或称之为 derating factor 为波形率(form factor)的倒数。
   　　　　　　(1)
   　　　　　(2)
   　　　　　?(3)
  直流伺服驱动器的wave factor系指其输出电流的平均值与rms的比值，其越接近1越好，这表示其涟波电流越小，所造成的rms扭矩损也就越小，因此系统的效率也就越高。大多数的直流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入命令，输入命令电压通常介于±10V，输入阻抗通常为10KΩ。一般工业级伺服驱动器的瞬时最大输出电流约为其额定输出电流的2～3倍，瞬时最大输出电流直接关系到驱动系统的加速能力、伺服刚性与频宽，因此是重要的性能指针。
  在选定伺服驱动器时，其速度控制范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑因素。速度控制范围直接影响到低速与高速运动的能力，一般的伺服驱动器其速控比(最高转速／最低转速)通常大于1000。速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维持定速的能力，定义的项目通常包含：负载变动、电源电压变动与温度变动。反应时间(response time)为瞬时响应的重要指标，0-1000 rpm的反应时间为一般参考标准。在额定负载下的最高转速反应时间，在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标。加减速特性主要指在最高转速的步阶响应其加减速的特性，图2(a)为直线一段加减速，图2(b)为直线两段加减速， 图2(c)为指数曲线加减速。一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速，但亦可根据实际应用需要选择不同加速曲线的驱动器，或在外回路位置控制加以修改。
  由于伺服驱动系统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统，因此其闭回路特性就相当重要，表1的闭回路特性包含了：位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回路增益。
  伺服驱动系统的位置刚度η定义为：
   　　　　(28)
  
图2　加减速特性图
  
图3　伺服驱动器位置回路控制方块图
  如果一个位置伺服系统的控制方块图如图3所示，则可计算其位置误差ep到产生扭矩Te的转换函数
   　　　　(4)
  其静态位置刚度定义为
   　　　　(5)
  表1　山洋(SANYO)PDT系列直流伺服驱动器规格表
型 式 Type 单位PDT-093-10PDT-093-20PDT-093-30配适电机 Matching DC Servo Motor -SM60-201SM80-201U505T-002转子贯量 Rotor Inertia Kg．cm．sec20.27 × 10-31.1 × 10-30.39 × 10-3电 源 Power Reruirements -AC200/220 ±10%, 50/60Hz, 单相电源电流 Line Current A1.521周围条件 Enviromental Spec. -温度：0~50C 湿度：35~85%主 回 路 Main Circuit -晶体管PWM四象限减定格率 Wave Factor %95 以上速度回授 Speed Feedback -MCTG相当(3V±5%/1000rpm)7V+3V,
-0V/1000rpm输 入Input指令电压 Command V.V/1000rpmDC±3Input Impedance约10最大出力电压 Max. Output V. VDC±130 DC±130 DC±130 额定输出电压 Rated Output Cur. ADC±1.5 DC±2 DC±1.1 瞬时最大输出电流.Max. Inst. Output Cur.高速时 ADC±3 DC±4.5 DC±2.5 额定扭矩Rated Torue1000rpmKg．cm2761.3最高速度 Kg．cm2761.3瞬时最大扭矩Max. Inst. Torque0~1000rpm Kg．cm5.3143.71000rpm~Max. Speed Kg．cm5.3143.7速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm2400~11200~13000~1速度变动Speed Variation负荷变动 0~100%