伺服驅(qū)動器原理及科學(xué)應(yīng)用專業(yè)培訓(xùn)

1、伺服驅(qū)動器原理及科學(xué)應(yīng)用專業(yè)培訓(xùn)一、電流環(huán)功能圖一、電流環(huán)電流傳感器 電流傳感器CT1和CT2在電流環(huán)中的作用就是感應(yīng)通過電機(jī)的電流，并且將它轉(zhuǎn)換為一個模擬電壓信號。然后這個模擬電壓信號經(jīng)過PWM轉(zhuǎn)換電路到ASIC。在這里只需要2個電流傳感器，因為CPU能夠根據(jù)公式Iu+Iv+Iw=0計算出W相的電流。 一、電流環(huán)功率晶體管 在電流環(huán)中包括6個功率晶體管。EDB伺服驅(qū)動器中使用的是IPM智能功率模塊，內(nèi)置有6個IGBT及其驅(qū)動電路，另外，還包括過流檢測、過熱檢測。EDB-05使用了15A的IPM。EDB-10/15使用了30A的IPM。EDB-20使用了50A的IPM。EDB-30/50使用了

2、75A的IPM。一、電流環(huán)CPU CPU比較電流指令和電流反響，作為結(jié)果的波形送入放大器，再經(jīng)過PWM后將信號送到功率晶體管。一、電流環(huán)PWM PWM脈寬調(diào)制是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法。在模擬信號上加上一個載波頻率，其大小依賴于功率模塊的開關(guān)次數(shù)。每當(dāng)模擬信號與載頻波形交叉時，PWM輸出就發(fā)生一次轉(zhuǎn)換，一系列的轉(zhuǎn)換就形成了方波信號，其表現(xiàn)為模擬信號的平均值，相當(dāng)于該信號的數(shù)字形態(tài)。二、速度環(huán)功能圖二、速度環(huán)P/PI控制三、位置環(huán)功能圖三、位置環(huán)脈沖指令 我們通過Pn008選擇脈沖指令形態(tài)。Pn009的bit0、bit1被設(shè)定為0表示正邏輯上升沿，為1表示負(fù)邏輯下降沿。三、位置環(huán)平滑功

3、能 平滑功能是對脈沖指令進(jìn)行加速度/減速度處理，在以下幾種情況下使用：1上位機(jī)無加速度/減速度功能。2脈沖指令頻率太低。3電子齒輪比太高超過10/1。三、位置環(huán)前饋功能 前饋功能縮短定位時間。前饋將使實際運(yùn)動輪廓逼近指令運(yùn)動輪廓。通常前饋增益Pn017設(shè)定在80%以下，對于大多數(shù)機(jī)械，設(shè)定超過80%將會引起振動，使用前饋濾波Pn025 可以減小振動。三、位置環(huán)偏置功能 通過分配偏置設(shè)定偏差脈沖到速度指令輸出可以減小最終的定位時間。該功能將使實際運(yùn)動輪廓逼近指令運(yùn)動輪廓。四、主回路主電容充電 在主電容充電中，我們看到一個繼電器，RLY1。使用這個繼電器是出于平安的目的。它保護(hù)這個電路并且限制上電

4、時主電容C1的充電電流。四、主回路P-N電壓 在DB1上的P-N電壓是供電電壓的有效值，即右圖中P點的電壓讀數(shù)是310V。V(RMS) = 220V * 1.41 = 310V五、動態(tài)制動動態(tài)制動的方法 通過動態(tài)制動使電機(jī)突然停止的方法有兩種：1通過短接電機(jī)U、V、W相的繞組；2將轉(zhuǎn)子能量消耗到電阻上。五、動態(tài)制動動態(tài)制動是如何發(fā)生的？ 第一種情況： 雙繼電器版本的EDB伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動電路使用一個繼電器造成電機(jī)繞組短路，從而使電機(jī)緊急停機(jī)。當(dāng)用在大功率伺服上時這種方法不是很平安。五、動態(tài)制動動態(tài)制動是如何發(fā)生的？ 第二種情況： 1.5kW以下的EDB伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動電路雖然是通過一個

5、繼電器動作的，但實際上是用一個動態(tài)制動電阻消耗電機(jī)轉(zhuǎn)子能量。這種方法使電機(jī)有一個較長的減速時間和平滑的停機(jī)。五、動態(tài)制動動態(tài)制動是如何發(fā)生的？ 第三種情況： 2kW以上的EDB伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動電路通過一個可控硅代替繼電器動作，這是與1.5kW以下的伺服驅(qū)動器唯一不同的地方。電機(jī)轉(zhuǎn)子能量也是消耗在動態(tài)制動電阻上。這種方法也使電機(jī)平滑的減速。五、動態(tài)制動動態(tài)制動何時發(fā)生？Servo Off：動態(tài)制動翻開以保證平安。Servo On：動態(tài)制動關(guān)閉。伺服驅(qū)動器進(jìn)入Servo Off狀態(tài)，當(dāng)：1S-ON輸入信號關(guān)閉；2超程；3伺服報警發(fā)生；4主電源關(guān)閉。當(dāng)以上事件發(fā)生時，我們能夠通過設(shè)定參數(shù)Pn00

6、4指定電機(jī)如何停機(jī)。五、動態(tài)制動使用可控硅的動態(tài)制動 2.0kW以上的伺服驅(qū)動器都使用了可控硅觸發(fā)動態(tài)制動，以此替代繼電器。但是需要注意的是，如果控制電源關(guān)閉，使用可控硅的伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動功能也將關(guān)閉。而使用繼電器的伺服驅(qū)動器，掉電或報警時保持動態(tài)制動狀態(tài)。五、動態(tài)制動動態(tài)制動電阻 為了使動態(tài)制動電路工作，必須有一些消除電機(jī)轉(zhuǎn)子能量的途徑，這就是動態(tài)制動電阻的作用。這個電阻消耗了電機(jī)的能量，從而使電機(jī)快速停止成為可能。然而，有些伺服驅(qū)動器如雙繼電器版本內(nèi)并沒有動態(tài)制動電阻，那是因為電機(jī)繞組的阻抗已經(jīng)足夠用于制動了。六、再生 再生是在電機(jī)減速過程中的一種動作，此時電機(jī)等效為一個發(fā)電機(jī)。再生吸

7、收了旋轉(zhuǎn)負(fù)載的動能，并將它轉(zhuǎn)化為電能，回饋到驅(qū)動器。六、再生再生的目的 再生有兩個主要功能：1消耗運(yùn)動負(fù)載的慣性能量；2快速地對主電容C1放電。 當(dāng)一套EDB伺服系統(tǒng)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速并且?guī)е试S的最大負(fù)載慣量，EDB伺服驅(qū)動器必須吸收停止負(fù)載時產(chǎn)生的全部能量而不損壞系統(tǒng)。如果系統(tǒng)運(yùn)行在超過額定轉(zhuǎn)速或者帶著超過允許的最大負(fù)載慣量，那么必須有外部再生。 再生值依賴三個因素：轉(zhuǎn)矩、減速度和運(yùn)動周期。這個值通常在選型軟件中計算并且顯示為電阻功率。然而，如果需要也可以手工計算。 當(dāng)再生電路中需要更大的元器件時必須有外部再生。有時，在一些特殊應(yīng)用中C1或R1的功率不夠大，在這種情況下，就需要一個外部的電阻或

8、電容作為內(nèi)部元器件的補(bǔ)充。六、再生再生的目的 EDC伺服驅(qū)動器只有電容C1用于內(nèi)部再生。如果需要外部再生，那么需要將外部再生單元接到驅(qū)動器的P和N端子上。如果一個系統(tǒng)中有多個這類的伺服驅(qū)動器，通過將每一臺驅(qū)動器的所有P端子連接在一起、所有N端子連接在一起，可能可以增加再生的容量。這相當(dāng)于將所有的C1并聯(lián)。但是這必須依賴于對系統(tǒng)執(zhí)行周期的完整分析。 5.0kW以下的EDB伺服驅(qū)動器都有內(nèi)部電阻R1和電容C1。如果需要外部再生，必須由技術(shù)效勞人員將內(nèi)部R1去掉，并且在P和B端子上外接電阻。六、再生時序 在下面的例子中，假定有200V的電源連接到伺服驅(qū)動器，并參考簡單的再生電路示意圖。 一個正常的P

9、-N母線電壓是283V200*1.41，當(dāng)電機(jī)開始減速時，回饋到驅(qū)動器的能量開始提升P-N電壓，一些或全部的能量被用于給電容C1充電。 然而，如果母線電壓超過380VDC，再生晶體管TR1就會翻開，能量就會消耗到電阻R1上，晶體管實際在380VDC到370VDC循環(huán)開關(guān)。 帶負(fù)載的減速將需要幾個這樣的循環(huán)周期。當(dāng)有再生缺乏時，可能會發(fā)生過壓報警A13，表示母線電壓超過420VDC，或者發(fā)生再生異常報警A16，表示TR1翻開時間太長一個內(nèi)部存放器專用于記錄TR1的開/關(guān)時間。 六、再生時序 如果發(fā)生了A13和A16報警，我們需要改變再生電阻R1的阻值。我們需要消耗更多的流過電阻的電流量，因為V=

10、I*R，我們能夠通過使用更小的阻值來增大流過電阻R1的電流量。增大電阻功率并不是正確的解決問題的方法，因為流過電阻R1的電流量還是一樣的。 當(dāng)改變了電阻之后，我們需要檢查再生電路是否滿足更小阻值的要求。一旦減小了R1的阻值，就增大了流過它的電流，如果電流增加的太多，有可能超過電阻的額定功率，僅僅此時需要增大電阻的功率。 六、再生再生的計算電機(jī)產(chǎn)生的能量：En=0.5JM(2N/60)2電容消耗的能量：Ec=0.5CVk2-Vr2 電機(jī)繞組消耗的能量：Em= 3JMN(2Ir/60Tr)2*(Ra/td)負(fù)載消耗的能量：EL=0.5TL(2Ntd/60)因為所有的能量之和必須為0，所以我們能夠計

11、算出電阻必須消耗的能量為Er=En-Ec-Em-EL因此我們可以計算出再生電阻的功率為Wr=Er/Cycle 六、再生再生的計算 如果再生電阻的功率超過內(nèi)部電阻的額定功率，我們必須外加一個電阻以彌補(bǔ)這些差額。 正如我們在公式中看到的，電機(jī)在停止負(fù)載時產(chǎn)生的能量，負(fù)載、電容C1、電機(jī)繞組、電阻R1都參與了能量的消耗。注意伺服驅(qū)動器不能應(yīng)用于連續(xù)再生模式。七、伺服選型 選型是一個針對給定應(yīng)用選擇電機(jī)和驅(qū)動器的過程。如何挑選一個電機(jī)或驅(qū)動器，需要考慮速度、轉(zhuǎn)矩、慣量和再生電流等因素。七、伺服選型速度/轉(zhuǎn)矩的波形 大多數(shù)伺服驅(qū)動應(yīng)用于位置控制。下面是這些應(yīng)用中的三種。對于位置控制，速度和轉(zhuǎn)矩的波形是很

12、類似的。速度波形下的面積就是距離七、伺服選型選型的檢查點1速度2連續(xù)轉(zhuǎn)矩3最大轉(zhuǎn)矩4RMS轉(zhuǎn)矩5負(fù)載慣量/電機(jī)慣量6再生七、伺服選型速度檢查 在大多數(shù)情況下，被驅(qū)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)?shù)陀陔姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速。然而，在一些應(yīng)用中，我們可以超過額定轉(zhuǎn)速到達(dá)最大轉(zhuǎn)速。通常，這是輕負(fù)載或無負(fù)載的應(yīng)用。當(dāng)我們運(yùn)行電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速時，我們必須知道驅(qū)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。七、伺服選型連續(xù)轉(zhuǎn)矩 連續(xù)動態(tài)轉(zhuǎn)矩是當(dāng)我們運(yùn)行在不變的速度時帶載情況下的轉(zhuǎn)矩。這個轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)不會超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。連續(xù)轉(zhuǎn)矩TL 額定轉(zhuǎn)矩TR七、伺服選型最大轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩是一個應(yīng)用需要的起動轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩峰值轉(zhuǎn)矩；TP= 連

13、續(xù)轉(zhuǎn)矩 + 加速轉(zhuǎn)矩。需要的最大轉(zhuǎn)矩必須小于最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩。七、伺服選型RMS轉(zhuǎn)矩 RMS均方根轉(zhuǎn)矩一定不能超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。它的公式是電機(jī)選型最重要的公式。注意電機(jī)的發(fā)熱情況依賴于工作循環(huán)和RMS轉(zhuǎn)矩。七、伺服選型允許的負(fù)載慣量 負(fù)載慣量JL應(yīng)當(dāng)總是大于電機(jī)慣量JM。允許的負(fù)載慣量依賴于使用的電機(jī)的再生和動態(tài)制動。對于小的伺服電機(jī)，允許的負(fù)載慣量是電機(jī)慣量的1030倍。對于大的伺服電機(jī)，允許的負(fù)載慣量降到電機(jī)慣量的5倍。七、伺服選型再生檢查 通常，在選型的時候不需要檢查再生。然而，有三種情況必須計算再生。如下：1當(dāng)驅(qū)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速NL超過額定電機(jī)轉(zhuǎn)速NR。2當(dāng)負(fù)載慣量JL超過它的允許值。3當(dāng)應(yīng)

14、用中有重力因素垂直負(fù)載應(yīng)用。七、伺服選型選型舉例我們將按照下面的步驟為這個應(yīng)用選擇電機(jī)。 1計算慣量2計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩3計算速度4計算加速度5預(yù)估6計算最大轉(zhuǎn)矩7計算RMS轉(zhuǎn)矩 七、伺服選型選型舉例：步驟1 步驟1：計算慣量：為了計算此應(yīng)用的總慣量。我們必須分別計算聯(lián)軸器、螺桿、負(fù)載的慣量，再把它們加在一起。七、伺服選型選型舉例：步驟2 步驟2：計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩：我們使用下面的公式計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩。七、伺服選型選型舉例：步驟3 步驟3：計算速度：為了計算電機(jī)的速度，我們使用下面的速度公式。 *這說明我們需要一個電機(jī)，它的額定轉(zhuǎn)速至少為1000r/min。 為這個應(yīng)用，我們選擇EMH型130法蘭系列電機(jī)，其

15、額定轉(zhuǎn)速為2500r/min，這個速度足夠我們的應(yīng)用。七、伺服選型選型舉例：步驟4 步驟4：計算加速度：為了計算加速時間，我們必須首先參考速度曲線和考慮距離S。七、伺服選型選型舉例：步驟5 步驟5：預(yù)估：現(xiàn)在我們必須為電機(jī)確定正確的額定功率。要確定這個值，有2個重要的因素，總的慣量和連續(xù)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)EMH電機(jī)的規(guī)格，我們預(yù)估如下： 我們總的慣量Jtotal=JC+JS+JL是34.3x10-4Kgm2，這個值不能超過電機(jī)慣量的5倍。如果超過了，我們可能會遇到過壓報警。因此，我們將選擇一個電機(jī)，它的慣量要超過我們總的慣量的1/5。EMH-05AP-D04電機(jī)的慣量是8.5x10-4 Kgm2，這個值的5倍是42.5x10-4 Kgm2，因為它大于我們總的慣量，所以滿足我們的預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)。然而，我們也必須確信這個電機(jī)有足夠的帶載轉(zhuǎn)矩。因為它的額定轉(zhuǎn)矩是4Nm，大于我們需要的1.56Nm，所以可以選它。七