伺服電機教程

1、1,交流伺服進階課程 mr-j3-a系列伺服放大器 2011年11月,2,主要內容,伺服放大器基本原理（主回路和控制回路） 伺服的作用 三菱伺服介紹（ 包括產品分類及軟件的使用 ） ac 伺服在傳送帶上的應用速度控制 ac 伺服在收放卷設備上的應用轉矩控制 ac伺服在機床設備上的應用位置控制 伺服產品的安裝維護及相關報警 絕對位置控制系統(tǒng)原理簡介,3,1.1 ac伺服原理,構成伺服機構的元件叫伺服元件。由驅動放大器（ac放大器），驅動電機（ac伺服驅動電機）和檢測器組成。,4,1.2.1 伺服放大器主回路,5,a 整流回路： 將交流轉變成直流，可分為單相和三相整流橋。 平滑電容：對整流電源進行

2、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速高于指令速度時， 產生能量回饋的現(xiàn)象。 再生制動回路就是用來消耗這些回饋能源的裝置。,1.2.1 伺服放大器主回路,6,按照再生制動回路的種類，可以分為： （1）小容量（0.4kw以下）電容再生方式 （2) 中容量（0.4kw至11kw）電阻再生制動方式 其中又可分為：內置電阻方式 外接電阻方式 外接制動單元方式 （3）大容量（11kw以上）電源再生方式 d 逆變回路： 生成適合馬達轉速的頻率、適合負載轉矩大小的電流，驅動馬達。 逆變模塊采用igbt開關元件。 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?shù)碾?/p>

3、阻器進行短路消耗旋轉能，使之迅速停轉的功能。,1.2.1 伺服放大器主回路,7,1.2.2 伺服電機,轉矩特性,三菱伺服電機屬于永磁同步電機。 伺服電機的輸出轉矩與電流成正比 其從低速到高速都可以以恒定轉矩運轉,思考：伺服電機與普通三相異步電機的區(qū)別？,連續(xù)運轉區(qū)域,瞬時運轉區(qū)域,8,1.2.2 伺服電機,編碼器種類和結構,9,1.3.1 伺服放大器控制回路,伺服控制回路,位置環(huán),速度環(huán),電流環(huán),10,位置控制處理流程,1.3.1 伺服放大器控制回路,假設脈沖指令為1個脈沖，輸入時動作為： 偏差計數(shù)器成為+1 轉變?yōu)?個脈沖對應的電壓進入放大器 放大器產生spwm波驅動馬達旋轉 編碼器也相應旋

4、轉，發(fā)出1脈沖的震蕩 1脈沖的震蕩再次輸入到偏差計數(shù) 器 中，從原來的指令+1減去1脈沖的震 蕩，計數(shù)器值成為0 結果使da轉換輸出0v到放大器， 放大器使馬達停止 完成1脈沖的定位,11,速度控制處理流程, 模擬量形式的速度指令進入速度 運算器，使電機開始運行 電機運行后使用編碼器旋轉，發(fā)出 脈沖反饋 脈沖反饋經過fv轉化為相應的模擬 量進入伺服驅動器 反饋值與給定值相比較，如果有偏 差通過電流環(huán)輸出控制電流使用其 差值改為零,1.3.1 伺服放大器控制回路,12,伺服放大器三種控制方式 1 轉矩控制： 通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機 軸對外的輸出轉矩的大小，主要應用于需要

5、嚴格控制轉 矩的場合。 電流環(huán)控制 2 速度控制： 通過模擬量的輸入或脈沖的頻率對轉動速度的控制。 速度環(huán)控制 3 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動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來 確定轉動的角度,所以一般應用于定位裝置 。 三環(huán)控制 思考：三環(huán)中哪個環(huán)的響應性最快？,1.3.1 伺服放大器控制回路,13,1.3.1 伺服放大器控制回路,變頻器與伺服放大器在主回路與控制回路上的區(qū)別：,由變頻器變更為伺服時，需考慮： （1） 機械的剛性 （2）換算到電機軸的負載慣量 （3）電機軸的振動 （4）減速機構的打滑,14,按照定位指令裝置輸出的脈沖串，對

6、工件進行定位控制。 伺服電機鎖定功能 當偏差計數(shù)器的輸出為零時，如果有外力使伺服電機轉動，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。 進行適合機械負荷的位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益調整。,2.2 伺服的作用,15,3.1 三菱伺服產品介紹,mr-j3交流伺服系統(tǒng) 豐富的產品線,16,3.1 三菱伺服產品介紹,mr-j3系列放大器型號構成,mr-j3-,17,3.1 三菱伺服產品介紹,mr-j3系列伺服電機型號構成,18,其他選件： 線纜，接頭，再生制動選件，電池單元，功率改善電抗器， emc濾波器，

7、抗干擾產品。,3.2 選件,19,伺服放大器各部分構造,20,伺服放大器輸入電源電路,21,顯示和操作,22,實驗,試運行點動 通過試運行模式中的點動運行確認電機是否可以正常動作 操作方法：,按住up和down鍵可使伺服電機旋轉 松開，電機停止。,通過伺服設置軟件可以修改轉速和加減速時間常數(shù)。,23,3.3 伺服設置軟件介紹,軟件系統(tǒng),24,3.3 伺服設置軟件介紹,設置軟件 mr-configurator setup221e,通訊連接,25,相關操作： 通訊設置 讀寫保存參數(shù) 報警監(jiān)控 狀態(tài)監(jiān)控 趨勢圖采集,3.3 伺服設置軟件介紹,26,3.3 伺服設置軟件介紹,機械分析器,更精確的機械性

8、能,頻率范圍 10hz1khz 3hz4.5khz 檢測能力得到很大提高, ,27,3.3 伺服設置軟件介紹,趨勢圖功能,通道 示波器,歷史查看功能 （歷史數(shù)據重寫功能）,同時監(jiān)控指令/滯留脈沖/力矩 曲線圖,整定/機械特性確認,采集數(shù)據 : 0.4ms x 30000點=12sec (j2s : 0.8ms x 1024點),28,3.3 伺服設置軟件介紹,速度 / 力矩曲線數(shù)據監(jiān)控 在操作模式中可以確認力矩余量,速度 力矩 曲線監(jiān)控功能,連続運転領域,短時間運転領域,實際運行曲線,29,3.4 容量選型軟件介紹,選型軟件motsz111e,30,3.4 容量選型軟件介紹,31,3.4 容量

9、選型軟件介紹,機械構成圖,機械參數(shù),如選用mr-j3系列伺服，電機容量應選擇多少？,32,4.1 ac伺服在傳送帶上的應用,控制方式：速度控制模式 控制特點：讓電機以參數(shù)中或者外部模擬量速度指令設定的轉動速 度高精度地平穩(wěn)的運行。 精細 速度范圍寬 速度波動小,33,4.1 ac伺服在傳送帶上的應用,34,4.3 速度控制使用時的接線,35,4.4 實驗一: 多段速,相關參數(shù)：pa01 控制模式（必需設定） pc01 加速時間常數(shù)（根據需要設定） pc02 減速時間常數(shù)（根據需要設定） pc03 s型加減速時間常數(shù)（根據需要設定） pc05pc11 內部速度指令，設定內部7段速（必須設定） p

10、c37 模擬量速度指令偏置 pc12 模擬速度指令最大轉動速度,問題： 1. 使用軟件的趨勢圖功能監(jiān)控速度與轉矩曲線 2.外部模擬量和多段速同時有效時，哪個優(yōu)先? 3.如果需要設置三段以上的速度，如何定義sp3端子？ 4. 外部電壓0v輸入時，監(jiān)測仍存在50mv的電壓， 應如何設置參數(shù)使電機保持停止？ 5. 要求10v電壓對應電機轉速為2000r/min，參數(shù)如何設置？,多段速端子與速度關系表,36,4.4 實驗二: 速度模式下的轉矩限制,作用：限制電機在運轉時的最大轉矩,相關參數(shù)： pa11正轉轉矩限制， 設定最大轉矩限制=100% pa12反轉轉矩限制， 設定最大轉矩限制=100%,方法一

11、：內部參數(shù)設定,方法二：外部模擬量給定,問題：1.通過趨勢圖功能監(jiān)控對輸出轉矩進行限制后 轉矩速度曲線的變化？ 2.當外部模擬量轉矩限制和pa11/pa12 都有給定時，哪種方式有效？,37,5.1 ac 伺服在收放卷設備上的應用,收放卷中張力控制的目的： 穩(wěn)定傳送材料，防止變形，確保尺寸精度等 張力控制基本結構：,進給機構：將長尺寸的材料從左向右傳送 放卷機構：為了保持一定的張力，需要隨著 卷徑的減少相應的減少制動扭矩 收卷機構：為了保持一定的張力，需要隨著 卷徑的增加相應的增加制動扭矩 f=t/r 其中f為張力，t為電機輸出扭矩 r為卷徑。,38,伺服系統(tǒng)張力控制原理： 張力控制即轉矩控制

12、，當電機的輸出轉矩和負荷取得平衡時，電機轉速為平衡 速度。因此轉矩控制時的速度由負荷決定。如電機的輸出轉矩比電機負荷大， 電機將會加速。為了防止出現(xiàn)過速度，應設置速度限制值。 伺服系統(tǒng)中轉矩控制主要由電流控制環(huán)完成。 產生轉矩t為 t=k1* ia 符號說明：t：轉矩 k1 ：常數(shù) ：磁通 ia：電流 伺服系統(tǒng)在張力控制中的應用： 張力控制時，電機扭矩的選定是根據連續(xù)運轉扭矩，而非短時間最大扭矩。 在收卷和放卷中，最大卷徑時需要較大扭矩，而在最小卷徑時則高速旋轉，所以卷軸比（最大/最小卷徑的比率）變大時，需要相應大功率的電機。,5.1 ac 伺服在收放卷設備上的應用,39,5.2 ac 伺服的

13、選型,注： 扭矩及轉速的允許使用范圍因各機種而 不同，一般按照最低扭矩為額定扭矩1% 以上，最低轉速為額定轉速1/100以上 選取,40,5.3 使用時的接線,41,5.41 實驗一：缺省參數(shù)下轉矩模式實驗,要求： 電機輸出扭矩為0.032nm，使用外部模擬量控制電機輸出轉矩，并監(jiān)控電機 當前轉矩和速度曲線 。 電壓與轉矩關系圖如下 正轉啟動rs1和反轉啟動rs2決定的 轉矩輸出與方向關系如下：,相關參數(shù)： pa01： 控制模式 pc01： 加速時間常數(shù) pc02： 減速時間常數(shù),42,5.42 實驗二：轉矩模式下速度限制的應用,第一種方式： 內部速度指令進行速度限制 相關參數(shù)：pc05（內部

14、速度1），pc06（內部速度2），pc07（內部速度3） 觀察并記錄sp1和sp2的不同通斷下組合下電機的轉速。 第二種方式： 外部模擬量進行速度限制,43,5.43 實驗三：轉矩指令偏置和增益設置實驗,增益調整：模擬轉矩指令最大輸出 相關參數(shù)：pc13（tlc） 要求模擬量信號8v對應為最大輸出轉矩的50%時，應如何設定參數(shù)？ 偏置調整： 相關指令：pc38（tpo）模擬轉矩指令偏置 如tc上施加0v電壓的狀態(tài)下，有0.03v的電壓，pc38的值應設置為正值還是 負值，設為多少？,44,6.1 ac 伺服在機床設備上的應用,系統(tǒng)組成： 伺服驅動器，伺服驅動裝置（伺服電機），位置檢測裝置（編碼

15、器），機械傳動 機構，以及執(zhí)行部件等。 工作過程：,控制特點： 調速范圍寬，精度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應快，能頻繁啟停和正反運行。,45,6.2 ac伺服選型,選型條件： 伺服電機在選型時需滿足以下： 電機最大轉速系統(tǒng)所需之最高移動轉速 電機的轉子慣量與負載慣量相匹配 電機的額定扭力連續(xù)負載工作扭力 電機最大輸出扭力系統(tǒng)所需最大扭力（指加速時扭力） 選型所需計算數(shù)據 慣量匹配計算（jl/jm） 運行速度計算 電機轉速n=fp*（cmx/cdv）*60/pt 其中fp為指令脈沖頻率，cmx/cdv為電子齒輪比，pt為編碼器分辨率 負載扭矩計算,46,6.3 使用時的接線,輸入輸出接線,47,6.3

16、 使用時的接線,輸入脈沖串選擇（參數(shù)pa13） 三種輸入波形： 正反轉脈沖串 脈沖串+符號 a/b相脈沖 連接： 集電極開路方式 差動驅動方式,48,6.4.2 電子齒輪比的概念,齒輪比： 兩個直徑不同的齒輪結合在一起轉動，直徑大的齒輪轉速自然會比直徑小的齒輪轉慢一些，它們的轉速比例和齒輪直徑大小成反比，這個比例稱為齒輪比。 電子齒輪比的作用也是用于對指令脈沖的指令調節(jié)，實現(xiàn)機械可以以任意倍率的輸入脈沖進行移動。,49,6.42 電子齒輪比的概念,電子齒輪比與指令脈沖的關系 pc1=pc*(cmx/cdv) 電子齒輪比與脈沖頻率的關系 fc1=fc*( cmx/cdv) 電子齒輪比的設定和機械

17、系統(tǒng)的關系 lo=pb/pfo 又因為pc0*（cmx/cdv）=pf0 lc =pb/pc0=pb/pf0* (cmx/cdv)=lo* （cmx/cdv） 即lc = lo* （cmx/cdv） 馬達速度與電子齒輪比的關系 cmx/cdv=fc1/fc=pf0*n/fc*60,其中： pc：指令脈沖數(shù)（pulse） fc：指令脈沖頻率（pps） pc1：偏差計數(shù)器輸入脈沖數(shù) （pulse） fc1：偏差計數(shù)器輸入指令脈沖頻率 pf：反饋脈沖數(shù)（pulse） lo：每個反饋脈沖的機械移動量（mm/pulse） pf0：馬達每轉的反饋脈沖數(shù)（pulse/rev） lc：每個指令脈沖的機械位移量

18、（mm/pulse） pc0：馬達每轉的輸入脈沖數(shù)（pulse/rev） cmx：指令脈沖倍率分子 cdv：指令脈沖倍率分母,50,6.42 電子齒輪比的概念,練習1： 已知伺服電機的編碼器分辨率是131072p/r，額定轉速為3000r/min，上位機 發(fā)送脈沖最大輸出頻率為200khz，要求達到額定轉速，那么電子齒輪比應設為多 少？ 練習2： 已知伺服電機編碼器分辨率為262144p/r，滾珠絲桿的進給量為8mm （1）計算反饋脈沖當量l0=？ （2）要求指令脈沖當量為2um/p,電子齒輪比應設為多少？ （3）要求電機的轉速為3000r/min，指令脈沖頻率應設為多少？是否適用于 fx2n

19、-10gm的定位模塊（其最大脈沖輸出頻率為200khz）,51,6.43 原點回歸,使定位指令裝置的指令坐標與機械坐標一致的必須操作之一 增量型系統(tǒng)和絕對型系統(tǒng)原點回歸的不同： 增量型系統(tǒng)：在電源關閉時不保持當前位置，因而每次電源接通時必須進行 原點回歸。 絕對型系統(tǒng)：在安裝時若進行過原點回歸，即使關閉電源也可保持當前位置 在瞬停，報警，電源關閉之后的電源接通時，則不需要進行原 點回歸。 絕對型定位指令和增量型定位指令 絕對型指令：由以原點為基準的當前停止地址開始 移動方向，取決于當前停止地址與指定地址 增量型指令：由當前停止位置地址為基準 移動方向取決于移動量的符號（+/-符號）,52,6.

20、43 原點回歸,原點回歸方法 典型的近點檔快式原點回歸：,53,6.44 位置/速度模式切換,使用控制切換（lop）進行位置模式和速度模式的切換 lop和控制模式的關系如下： 切換要求：零速度下進行切換,注：比零速度高的速度下進行切換 即使之后速度降為零了，也不能 進行控制模式的切換。,54,7.11 從安裝到運轉的作業(yè)流程,55,7.12 伺服放大器及電機安裝,放大器的安裝 安裝一臺時 安裝兩臺以上時,注：3.5kw以下的放大器可以密集安裝，5kw以上的放大器不可以緊湊安裝 環(huán)境溫度0-45度，實際負載率在75%下使用。,電機的安裝 應避免安裝在振動較大的地方，避免對電機軸進行敲擊，以免造成編碼器故障,56,7.2 常見錯誤和報警,位置控制模式下 產生位置偏差的檢測方法,產生位置偏差時，需檢查圖中的 （a）輸出脈沖計數(shù)器 q （b）指令脈沖累積 p （c）反饋脈沖累積 c （d）機械停止位置 m,當qp或者p* cmx/cdvc時，可能的原因有哪些？,57,7.2 常見錯誤和報警,速度/轉矩控制模式下 正轉啟動或反轉啟動信號置on后，電機