伺服電機及其控制原理

伺服電機及其控制原理

——TPM基礎(chǔ)知識的培訓(xùn)素材2021/6/271目錄§1伺服系統(tǒng)1.1伺服概述1.2伺服系統(tǒng)組成1.3伺服系統(tǒng)分類§2伺服電機

2.1伺服電機概述2.2伺服電機組成和分類2.3交流伺服電機原理2.4松下伺服電機的應(yīng)用和故障分析§3伺服控制器

3.1伺服控制器概述3.2伺服控制器原理3.3松下伺服控制器介紹3.4松下伺服控制器常用設(shè)置應(yīng)用3.5松下伺服控制器故障分析和處理2021/6/2721.1伺服概述

伺服(Servo)，指系統(tǒng)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、加速度和力矩。2021/6/273伺服控制系統(tǒng)(servocontrolsystem)——是所有機電一體化設(shè)備的核心，它的基本設(shè)計要求是輸出量能迅速而準確地響應(yīng)輸入指令的變化，如機械手控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使機械手能夠按照指定的軌跡進行運動。象這種輸出量以一定準確度隨時跟蹤輸入量（指定目標(biāo)）變化的控制系統(tǒng)稱為伺服控制系統(tǒng)，因此，伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)。它是以機械量如位移、速度、加速度、力、力矩等作為被控量的一種自動控制系統(tǒng)。2021/6/274輸入量輸出量控制操作輸入量控制操作輸出量測量

反饋環(huán)2021/6/2751.2伺服系統(tǒng)組成從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。2021/6/276伺服系統(tǒng)組成原理框2021/6/277比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)2021/6/278控制器控制器是伺服控制系統(tǒng)里面的調(diào)節(jié)元件，通常是計算機或PID（比例-積分-微分）控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。2021/6/279執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。2021/6/2710被控對象被控對象是指被控制的機構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。被控對象一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。2021/6/2711檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。2021/6/2712需要注意：

在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不成立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電機既是執(zhí)行元件又是檢測元件。2021/6/27131.3伺服系統(tǒng)分類伺服系統(tǒng)可分為三類開環(huán)伺服控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)2021/6/2714開環(huán)伺服控制系統(tǒng)(openloop)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置則稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。常用的執(zhí)行元件是步進電機，通常以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)是步進式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動時，用步進電機作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但精度不是很高。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過脈沖分配和功率放大后，驅(qū)動步進電機和傳動件的累積誤差。因此，開環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低，一般可達到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。2021/6/2715位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進驅(qū)動器

步進馬達開環(huán)伺服控制系統(tǒng)沒有反饋、只能進行一個方向的控制。使用步進馬達。

方向指令2021/6/2716位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進驅(qū)動器

步進馬達１步進角脈沖馬達指令脈沖１脈沖例步進角０.３６°的情況１脈沖→０.３６°的動作

１０００脈沖→３６０°（１圈）＝開環(huán)伺服控制回路2021/6/2717位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進驅(qū)動器

步進馬達開環(huán)伺服控制回路位置速度＝＝脈沖數(shù)脈沖頻率2021/6/2718位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進驅(qū)動器

步進馬達開環(huán)伺服控制回路注意點有失步的可能性急速負荷變動急速速度變動原因2021/6/2719半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)(Semi-closedloop)通常把檢測元件安裝在電機軸端而組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)。它與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別在于其檢測元件位于系統(tǒng)傳動鏈的中間。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖工作臺的位置通過電機上的傳感器或是安裝在絲桿軸端的編碼器間接獲得。由于有部分傳動鏈在系統(tǒng)閉環(huán)之外，故其定位精度比全閉環(huán)的稍差。但由于測量角位移比測量線位移容易，并可在傳動鏈的任何轉(zhuǎn)動部位進行角位移的測量和反饋，故結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整、維護也比較方便。由于將慣性質(zhì)量很大的工作臺排除在閉環(huán)之外，這種系統(tǒng)調(diào)試較容易、穩(wěn)定性好，具有較高的性價比，被廣泛應(yīng)用于各種機電一體化設(shè)備。2021/6/2720全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)(Full-closedloop)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測元件、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和被控對象五部分組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將被控對象移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼器等。全閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖機械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會給伺服系統(tǒng)造成影響，從而使系統(tǒng)的控制和調(diào)試變得異常復(fù)雜，因此，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要用于高精密和大型的機電一體化設(shè)備。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)將位置檢測器件直接安裝在工作臺上，從而可獲得工作臺實際位置的精確信息。2021/6/2721半閉環(huán)伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器閉環(huán)伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器絲性標(biāo)尺2021/6/2722伺服系統(tǒng)在實際生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用繞管機：皮帶線伺服控制、繞管機1#2#工位伺服電機控制易碎管機：6#工位影像系統(tǒng)伺服電機控制擠管線：繞圈機A、B組繞圈，大轉(zhuǎn)盤，導(dǎo)線桿伺服控制Minicap：1-4#加蓋機上料皮帶2021/6/2723伺服系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用在這些應(yīng)用中，都是采用閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，下面以繞管機皮帶線伺服控制系統(tǒng)做例子介紹閉環(huán)伺服系統(tǒng)PLCSLC5001746-HSTP1步進控制模塊Panasonic伺服驅(qū)動器Panasonic伺服馬達編碼器皮帶位置光柵脈沖位置、速度反饋皮帶運行位置反饋信號2021/6/27242.1伺服電機概述定義伺服電動機又叫執(zhí)行電動機，或叫控制電動機。

在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移。2021/6/27252.2伺服電機組成和分類組成編碼器編碼器連接器電機用連接器電機外殼（定子）法蘭電機轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)子）2021/6/2726伺服電機分類直流伺服電動機交流伺服電動機在我們實際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中，使用的是交流伺服電機，其具有顯著特點：

1、起動轉(zhuǎn)矩大

2、運行范圍較廣

3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象2021/6/27272.3交流伺服電機原理交流伺服電機主要由定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器構(gòu)成。定子和采用三相對稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。2021/6/2728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(biāo)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（線數(shù)）。2021/6/2729其主要特點是：

當(dāng)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。

2021/6/27302.4松下伺服電機的應(yīng)用和故障分析在使用松下伺服電機之前需要確認其型號2021/6/2731型號說明2021/6/27322021/6/2733伺服電機型號為MSME5AZS1S：該電機低慣量，輸出功率50W，額定輸入電壓AC30V，絕對式編碼器，17位脈沖，7線制導(dǎo)線帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈，即其每個脈沖電機轉(zhuǎn)動的角度為360°/131072=0.0027°2021/6/2734需要我們注意的是：伺服電機實際使用當(dāng)中，必須了解電機的型號規(guī)格，確認好電機編碼器的分辨率，才能選擇合適的伺服控制器。2021/6/2735松下伺服電機常見故障分析問題1：對伺服電機進行機械安裝時，應(yīng)該注意什么問題？

由于每臺伺服電機都帶有編碼器，它是一個十分容易碎的精密光學(xué)器件，過大的沖擊力會使其破壞。因而在安裝的過程中要避免對編碼器使用過大的沖擊力。2021/6/2736問題2：試機時一上電，電機就振動（加/減速）并有很大的噪聲。

這種現(xiàn)象可能是以下原因：1、由于伺服驅(qū)動器的增益設(shè)置過高，產(chǎn)生了自激震蕩。這時候需要重新設(shè)置伺服驅(qū)動器伺服參數(shù)，適當(dāng)降低系統(tǒng)增益；2、編碼器出現(xiàn)故障，更換編碼器。3、速度命令出現(xiàn)重復(fù)的雜訊，信號線受到干擾，將電源線和信號線分開，并將信號線屏蔽好。4、電機軸承，在無負載的情況下運轉(zhuǎn)電機，確認電機軸承附近的震動和聲音。2021/6/2737問題3：松下伺服電機在很低的速度運行過程中，時快時慢，象爬行一樣，怎么辦?

伺服電機出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象一般是由于系統(tǒng)增益太低引起的，適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)增益，或運行驅(qū)動器自動增益調(diào)整功能。2021/6/2738問題4：伺服電機沒有旋轉(zhuǎn)。

出現(xiàn)此類故障時，先確認伺服控制器是否通電是否有故障顯示；檢查伺服電機接線是否完好；電機是否過負荷或負載機構(gòu)卡死；關(guān)閉伺服控制器電源將電機從設(shè)備卸載下來，能否用手轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)軸。2021/6/2739問題5：伺服電機上電時，機械運動異常快速(飛車)。

出現(xiàn)這種伺服整機系統(tǒng)故障，先確認伺服控制器是否出現(xiàn)故障，伺服控制參數(shù)是否設(shè)置正確，而后檢查：①脈沖編碼器接線是否錯誤；②脈沖編碼器聯(lián)軸節(jié)是否損壞；③檢查測速發(fā)電機端子是否接反和勵磁信號線是否接錯。2021/6/2740問題6：伺服電機轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定，伺服控制器速度歸零后電機仍緩慢轉(zhuǎn)動。出現(xiàn)這種情況，原因有以下：1、伺服控制器控制模式設(shè)置錯誤；2、伺服增益調(diào)整不良；3、電機接線、接頭、控制器接觸不良；4、電機控制信號受干擾，將電源線和信號線分開，并將信號線屏蔽好。2021/6/2741問題7：偏離原點位置。伺服電機偏離原點，造成這個情況原因：1、原點搜尋速度過快，降低原點附近原點回歸速度或者延長原點感應(yīng)器的感應(yīng)區(qū)域；2、編碼器線路出現(xiàn)重疊雜訊受干擾，將電源線和信號線分開，并將信號線屏蔽好。2021/6/2742問題8：伺服電機過熱（電機燒毀）。原因：1、負載慣性（負荷）太大，增大電機和控制器的容量；2、設(shè)備（機械）松動、脫落，重新確認設(shè)備（機械）各部件；3、與驅(qū)動器接線錯誤，確認電機和控制器名牌，根據(jù)說明書檢查是否接線錯誤。4、電機軸承故障。5、電機故障（接地、缺相等）2021/6/27433.1伺服控制器概述

伺服驅(qū)動器（servodrives）

又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。2021/6/27441、按照定位指令裝置輸出的脈沖串，對工件進行定位控制。

2、伺服電機鎖定功能：當(dāng)偏差計數(shù)器的輸出為零時，如果有外力

使伺服電機轉(zhuǎn)動，由編碼器將反饋脈沖輸入偏差計數(shù)器，偏差

計數(shù)器發(fā)出速度指令，旋轉(zhuǎn)修正電機使之停止在滯留脈沖為零

的位置上，該停留于固定位置的功能，稱為伺服鎖定。

3、進行適合機械負荷的位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益調(diào)整。伺服控制器的作用2021/6/2745伺服控制器三種控制方式1轉(zhuǎn)矩控制：

通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機

軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，主要應(yīng)用于需要嚴格控制轉(zhuǎn)

矩的場合。

——電流環(huán)控制速度控制：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率對轉(zhuǎn)動速度的控制。

——速度環(huán)控制位置控制：伺服中最常用的控制，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,所以一般應(yīng)用于定位裝置。

——三環(huán)控制2021/6/27463.2伺服控制器原理伺服控制器主電路2021/6/2747a整流回路：

將交流轉(zhuǎn)變成直流，可分為單相和三相整流橋。

平滑電容：對整流電源進行平滑，減少其脈動成分。c再生制動：

所謂再生制動就是指馬達的實際轉(zhuǎn)速高于指令速度時

產(chǎn)生能量回饋的現(xiàn)象。

再生制動回路就是用來消耗這些回饋能源的裝置。

伺服控制器主電路2021/6/2748d逆變回路：

生成適合馬達轉(zhuǎn)速的頻率、適合負載轉(zhuǎn)矩大小的電流，

從而驅(qū)動馬達。逆變模塊采用IGBT開關(guān)元件。e動態(tài)制動器：

具有在基極斷路時，在伺服馬達端子間加上適當(dāng)?shù)碾娮?/p>

器進行短路消耗旋轉(zhuǎn)能，使之迅速停轉(zhuǎn)的功能。2021/6/27493.3松下伺服控制器2021/6/2750型號說明2021/6/2751外形和接插件清單控制器銘牌ID：軸地址選擇開關(guān)IM：轉(zhuǎn)矩監(jiān)測端子SP：速度監(jiān)測端子G：接地端子X1：電源輸入接口X2：電機接口X3：RS485通訊口X4：RS232通訊口接地端子X5：I/O接口X6：編碼器接口X6：外置光柵接口2021/6/2752控制器接線端子需要我們注意的是：在使用單相電源輸入時，只接L1和L3；接電機時，U、V、W相必須和電機相對應(yīng)的顏色線相接，一般為U—紅、V—白、W—黑。具體情況必須查看控制器和電機的使用說明書，這點非常重要！2021/6/27533.4伺服控制器常用設(shè)置應(yīng)用伺服前面板2021/6/2754當(dāng)伺服接通電源時，其面板LED顯示如下：LED初始顯示取決于參數(shù)Pr5.28的LED初始狀態(tài)設(shè)定。2021/6/2755前面板的使用方法LED的顯示模式的切換LED初始顯示設(shè)置鍵監(jiān)視器模式參數(shù)設(shè)定模式模式鍵EEPROM寫入模式模式鍵輔助功能模式模式鍵模式鍵2021/6/2756設(shè)置鍵監(jiān)視器模式（選擇顯示）監(jiān)視器模式選擇設(shè)置：當(dāng)進入監(jiān)視器模式后，通過按鍵選擇所需要的顯示內(nèi)容，再按設(shè)置鍵執(zhí)行所選擇的顯示。例如:顯示(查看)故障信息LED初始顯示設(shè)置鍵監(jiān)視器模式上下鍵警告編號設(shè)置鍵顯示錯誤編碼注：具體詳細的監(jiān)視器選擇內(nèi)容以及報警編號需查閱伺服控制器的使用說明書。2021/6/2757設(shè)置鍵參數(shù)設(shè)定模式伺服參數(shù)設(shè)置：當(dāng)進入?yún)?shù)設(shè)定模式后，通過按鍵選擇所需要更改的參數(shù)項，再按設(shè)置鍵進入該參數(shù)項通過鍵更改參數(shù)，最后按設(shè)置鍵完成參數(shù)設(shè)置。例如：設(shè)定伺服控制器的控制模式（Pr0.01）設(shè)置鍵LED初始顯示設(shè)置鍵監(jiān)視器模式上下鍵模式鍵參數(shù)設(shè)定模式控制模式（Pr0.01）參數(shù)選擇上下鍵速度模式取消更改返回持續(xù)按設(shè)置鍵，伺服控制器參數(shù)被更新2021/6/2758注意：改變參數(shù)值，按設(shè)置鍵后其內(nèi)容會反映到控制中。變更對電機影響較大的參數(shù)值（特別是速度環(huán)路增益、位置環(huán)路增益等參數(shù)）時，請勿一次修改過大數(shù)值，盡可能地分數(shù)次更改輸入。另外：當(dāng)該數(shù)位顯示為“”時的參數(shù)設(shè)置更改后需要寫入EEPROM中，且機器重啟后才能生效。2021/6/2759EEPROM寫入模式當(dāng)我們設(shè)置的參數(shù)需要寫入EEPROM中時候，操作如下：設(shè)置鍵模式鍵EEPROM寫入模式持續(xù)按直到出現(xiàn)寫入開始寫入結(jié)束寫入錯誤當(dāng)寫入結(jié)束顯示為時，請關(guān)閉控制器電源進行復(fù)位2021/6/2760輔助功能模式輔助功能模式包括以下內(nèi)容：A1零漂自動調(diào)整A2零漂自動調(diào)整A3零漂自動調(diào)整報警解除電機試運行絕對編碼器清零參數(shù)初始化前面板解鎖定*具體的設(shè)置使用請查看伺服控制器使用說明書2021/6/2761