伺服電機(jī)控制與應(yīng)用詳細(xì)教學(xué).ppt

伺服電機(jī)控制技術(shù) 主講 劉遙生深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院電話 267316422伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 內(nèi)容 3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析 4伺服電機(jī)的機(jī)械特性及控制方式 5交流伺服電機(jī)的應(yīng)用 6伺服電機(jī)選擇及主要性能指標(biāo) 由于我們是從事工廠自動(dòng)控制方面的設(shè)備維修 維護(hù)管理技術(shù)人員 主要是合理地選擇和正確使用各種控制電機(jī) 因此本次講座著重闡述伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 工作原理 工作特性和使用方法 具體內(nèi)容如下 1概述 了解伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 掌握其工作原理 運(yùn)行特性及其特點(diǎn) 應(yīng)用場(chǎng)合 以求正確選用和使用它們 目的 伺服電動(dòng)機(jī)也稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速 以帶動(dòng)控制對(duì)象 1概述 1 交流伺服電動(dòng)機(jī) 2 直流伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)分為 1 1什么叫伺服電機(jī) 1概述 在有控制信號(hào)輸入時(shí) 伺服電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng) 沒有控制信號(hào)輸入 它就停止轉(zhuǎn)動(dòng) 改變控制電壓的大小和相位 或極性 就可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 1 2伺服電機(jī)最大特點(diǎn) 1概述 1 3伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn) 1 調(diào)速范圍寬廣 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變 能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié) 2 轉(zhuǎn)子的慣性小 即能實(shí)現(xiàn)迅速啟動(dòng) 停轉(zhuǎn) 3 控制功率小 過載能力強(qiáng) 可靠性好 1概述 1 4伺服電機(jī)在自控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用 其它場(chǎng)合的應(yīng)用 1 5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家 1概述 德國(guó)西門子 產(chǎn)品外形有 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1概述 美國(guó)科爾摩根 產(chǎn)品外形有 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家 1概述 日本松下及安川 產(chǎn)品外形有 松下交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 安川伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 交流伺服電機(jī)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)器 交流伺服電機(jī)器 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 2 1結(jié)構(gòu) 交流電機(jī) 編碼器 交流電機(jī)電源線 編碼器信號(hào)輸出線 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 1 2 1結(jié)構(gòu) 交流電機(jī) 減速齒輪 機(jī)械負(fù)載軸 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 2 1結(jié)構(gòu) 由定子和轉(zhuǎn)子二大部分組成 1 定子由鐵心和線圈組成 勵(lì)磁繞組 控制繞組 勵(lì)磁電壓 控制電壓 1 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 1 2 1結(jié)構(gòu) 由定子和轉(zhuǎn)子二大部分組成 1 定子由鐵心和線圈組成 控制繞組與勵(lì)磁繞組相差900 1 籠型轉(zhuǎn)子 鐵芯槽內(nèi)放銅條 端部用短路環(huán)形成一體 或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 鑄鋁的籠型轉(zhuǎn)子 2 轉(zhuǎn)子 籠型轉(zhuǎn)子 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 杯型轉(zhuǎn)子 2 2轉(zhuǎn)動(dòng)原理 2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理 2三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理 2 2轉(zhuǎn)動(dòng)原理 2三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理 2 2轉(zhuǎn)動(dòng)原理 當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí) 在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 假設(shè)永久磁鐵是順時(shí)糾方向以n0的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 那末它的磁力線也就以順時(shí)針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 根據(jù)右手定則 N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢(shì)方向垂直地從紙面出來 而S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢(shì)方向垂直地進(jìn)入紙面 由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接起來的 因此在感應(yīng)電勢(shì)的作用下 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)有電流流過 電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢(shì)方向相同 再根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力原理 轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力 這個(gè)電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上 并對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩 根據(jù)左手定則 轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是一致的 也是順時(shí)針方向 因此 鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來 3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析 為了分析方便 先假定勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Uf與控制繞組有效匝數(shù)UC相等 這種在空間上互差900電角度 有效匝數(shù)又相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組 3 1伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析 同時(shí) 又假定通入勵(lì)磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等 這樣的兩個(gè)電流稱為兩相對(duì)稱電流 用數(shù)學(xué)式表示為 3 1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 控制繞組 勵(lì)磁繞組 當(dāng)兩相對(duì)稱電流通入兩相對(duì)稱繞組時(shí) 在電機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 當(dāng)電流變化一個(gè)周期時(shí) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間轉(zhuǎn)了一圈 UC1 UC2 UF1 UF2 3 1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 3 2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向 控制繞組 勵(lì)磁繞組 控制繞組 勵(lì)磁繞組 3 2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向 3 3伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于定子繞組極對(duì)數(shù)和電源的頻率 圖所表示的是一臺(tái)兩極的電機(jī) 即極對(duì)數(shù)P 1 對(duì)兩極電機(jī)而言 電流每變化一個(gè)周期 磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一圈 因而當(dāng)電源頻率f 400Hs 即每秒變化400個(gè)周期時(shí) 磁場(chǎng)每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈 故對(duì)兩極電機(jī) 即P 1而言 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為n0 24000r min旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為的一般表達(dá)式為 4 伺服電機(jī)的機(jī)械特性及控制方式 4 1伺服電機(jī)的機(jī)械特性 對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī) 還有一條很重要的機(jī)械特性 這就是零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性 所謂零信號(hào) 就是控制電壓UC 0 這時(shí)磁場(chǎng)是脈振磁場(chǎng) 它可以分解為幅值相等 轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 其作用可以想象為有兩對(duì)相同大小的磁鐵N S和N S在空間以相反方向旋轉(zhuǎn) 4 2零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無 自轉(zhuǎn) 現(xiàn)象 4 2零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無 自轉(zhuǎn) 現(xiàn)象 當(dāng)電阻已增大到使臨界轉(zhuǎn)差率 1的程度時(shí) 合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(diǎn) S 1處 而且在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi) 合成轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值 即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 因而當(dāng)控制電壓UC取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時(shí) 電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn) 這樣就不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 4 2零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無 自轉(zhuǎn) 現(xiàn)象 4 3伺服電機(jī)控制方式及特性 設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL 控制電壓0 25UC時(shí) 電機(jī)在特性點(diǎn)A運(yùn)行 轉(zhuǎn)速為na 這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡 當(dāng)控制電壓升高到0 5UC時(shí) 電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就隨之增加C 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子及其負(fù)載存在著慣性 轉(zhuǎn)速不能瞬時(shí)改變 因此電機(jī)就要瞬時(shí)地在特性點(diǎn)C運(yùn)行 這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 電機(jī)就加速 一直增加到nb 電機(jī)就在B點(diǎn)運(yùn)行 伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 A B C 結(jié)論 改變控制電壓的大小 就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制 5交流伺服電機(jī)的應(yīng)用 編碼器部分 安裝在電機(jī)后端 其轉(zhuǎn)盤 光柵 與電機(jī)同軸 伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度 5 1伺服電機(jī)編碼器 編碼器 5 2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 主要功能 1 根據(jù)給定信號(hào)輸出與此成正比的控制電壓UC 2 接收編碼器的速度和位置信號(hào) 3 I O信號(hào)接口 5 2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 數(shù)碼顯示窗口 參數(shù)設(shè)置鍵 計(jì)算機(jī)RS232口 I O信號(hào)接口 編碼器信號(hào)接口 電機(jī)電源輸入輸出接線端子 2 外部組成 5 2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3 控制模式 1 位置控制模式 最大輸入脈沖頻率500KPPS 微分接收器 和200KPPS 用于開路收集器 2 速度控制模式 模擬速度指令輸入 0 10V 額定轉(zhuǎn)速 3 力矩控制模式 模擬力矩指令輸入 0 10V 最大力矩 5 2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 4 原理框圖 5 3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 圖2 2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 連接AC220V I O板 5 3 1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 5 3 1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 設(shè)置參數(shù) 方法一聯(lián)接計(jì)算機(jī)使用軟件設(shè)置 方法二直接在驅(qū)動(dòng)器面板按鈕設(shè)置 5 3 2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)使用 方法一 使用計(jì)算機(jī)設(shè)置參數(shù) 1 啟動(dòng)軟件 2 修改參數(shù)NO 19 000E 允許參數(shù)改寫 3 修改參數(shù)O 41 0001 內(nèi)部使能 4 正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行 1 設(shè)置參數(shù) 1 啟動(dòng)軟件 2 進(jìn)入TEST功能 使用JOG模式調(diào)試系統(tǒng) 3 正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行 2 使用計(jì)算機(jī)調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng) 1 啟動(dòng)軟件將參數(shù)NO 41 0000 改為外部使能 然后關(guān)閉軟件 2 接通電源 顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確 3 按MODE鍵 顯示rd of 3 使用驅(qū)動(dòng)器操作面板手動(dòng)調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng) 4 按UP鍵多次直至顯示TEST1 5 按住SET直至顯示窗顯示D 01并閃爍 6 按UP正轉(zhuǎn) 按DOWN反轉(zhuǎn) 1 接通電源 顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確 如 設(shè)置參數(shù)NO19 3 按DOWN或UP鍵多次 直至顯示P19 4 按SET鍵 顯示窗顯示0000 5 按SET鍵 顯示窗0000閃爍 2 按MODE鍵多次 直至顯示數(shù)P00 6 按DOWN或UP鍵多次 直至顯示000E 7 按SET鍵 再次通電 設(shè)置生效 3 使用驅(qū)動(dòng)器操作面板手動(dòng)設(shè)置參數(shù)的方法 1 6 1功率的選擇 功率選得過大不經(jīng)濟(jì) 功率選得過小電動(dòng)機(jī)容易因過載而損壞 1 對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的伺服電動(dòng)機(jī) 所選功率應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械的功率 2 對(duì)于短時(shí)工作的伺服電動(dòng)機(jī) 允許在運(yùn)行中有短暫的過載 故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機(jī)械的功率 6 伺服電機(jī)的選擇 6 1種類和型式的選擇 1 種類的選擇 一般自動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機(jī) 調(diào)速和控制精度很高的場(chǎng)合選用直流伺服電機(jī)或其他專用的控制電機(jī) 如直線電機(jī)等 2 結(jié)構(gòu)型式的選擇 根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式 如頻繁啟停選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī) 如速度要求較平衡的場(chǎng)合選用大慣量伺服電機(jī) 6 2主要性能指標(biāo)的選擇 1 空載始動(dòng)電壓UCO在額定勵(lì)磁電壓和空載的情況下 使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小控制電壓定義為空載始動(dòng)電壓 用通過以額定控制電壓的百分比來表示 UCO越小 表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度越高 一般UCO要求不大于額定控制電壓的3 4 使用于精密儀器儀表中的兩相伺服電動(dòng)機(jī) 有時(shí)要求不大于額定控制電壓的1 6 2主要性能指標(biāo)的選擇 2 機(jī)械特性非線性度Km在額定勵(lì)磁電壓下 任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械待性與線性機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩T Td 2時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差 n與空載轉(zhuǎn)速n0 對(duì)稱狀態(tài)時(shí) 之比的百分?jǐn)?shù) 定義為機(jī)械待性非線性度 一般要求Km 10 20 6 2主要性能指標(biāo)的選擇 3 調(diào)節(jié)特性非線性度Kv在額定勵(lì)隘電壓和空載情況下 當(dāng)控制電壓 0 7時(shí) 實(shí)際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差 n與控制電壓 1時(shí)的空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)定義為調(diào)節(jié)特性非線性度 即 一般要求Kv 20 25 6 2主要性能指標(biāo)的選擇 4 堵轉(zhuǎn)特性非線性度kd在額定勵(lì)磁電壓下 實(shí)際堵轉(zhuǎn)特性與線性堵轉(zhuǎn)持性的最大轉(zhuǎn)矩偏差 Tdn max與控制電壓 1時(shí)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tdo之比值的百分?jǐn)?shù) 定義為堵轉(zhuǎn)待性非線性 即 以上這幾種持性的非線性度越小 特性曲線越接近直線 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差就越小 工作就越準(zhǔn)確 一般要求Kd 5 6 3主要技術(shù)指標(biāo)的選擇 1 電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵(lì)磁電壓和控制電壓指的都是額定值 勵(lì)磁電壓允許變動(dòng)范圍為土5 左右 電壓太高 電機(jī)會(huì)發(fā)熱 電壓太低和輸出功率會(huì)明顯下降 加速時(shí)間增長(zhǎng)等 伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí) 應(yīng)注意到勵(lì)磁繞組兩端電壓會(huì)高于電源電壓 而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大 其值如果超過額定值太多 會(huì)使電機(jī)過熱 控制繞組的額定電壓有時(shí)也稱最大控制電壓 在幅值控制條件下加上這個(gè)電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 6 3主要技術(shù)指標(biāo)的選擇 2 頻率目前控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類 低頻為50HZ 或60HZ 中頻為400HZ 或500HZ 因?yàn)轭l率越高 渦流損耗越大 所以中頻電機(jī)的鐵心用較薄的 0 2mm以下 硅鋼片疊成 以減少渦流損耗 低頻電機(jī)則用0 35 0 5mm的硅鋼片 低頻電機(jī)不應(yīng)該用中頻電源 中頻電機(jī)也不應(yīng)該用低頻電源 否則電機(jī)性能會(huì)變差 在不得已時(shí) 低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用 但要隨頻率正比地改變電壓 而保持電流仍為額定值 這樣 電機(jī)發(fā)熱可以基本上不變 例如一臺(tái)500Hz 110V的電機(jī) 如果用在400Hz時(shí) 那末加到電機(jī)上的電壓就應(yīng)改成110 400 500 88V 6 3主要技術(shù)指標(biāo)的選擇 3 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)電流定子兩相繞組加上額定電壓 轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩 稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 這時(shí)流經(jīng)勵(lì)磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉(zhuǎn)勵(lì)磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流 堵轉(zhuǎn)電流通常是電流的最大值 可作為設(shè)計(jì)電源和放大器的依據(jù) 6 3主要技術(shù)指標(biāo)的選擇 4 空載轉(zhuǎn)速定干兩相繞組加上額定電壓 電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為空載轉(zhuǎn)速n0 空載轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)有關(guān) 由于電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的影響 空載轉(zhuǎn)速略低于同步速 6 3主要技術(shù)指標(biāo)的選擇 5 額定輸出功率當(dāng)電機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)時(shí) 輸出功率P2隨轉(zhuǎn)速n變化的情況如圖78所示 當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速n0的一半時(shí) 輸出功率最大 通常就把這點(diǎn)規(guī)定為交流伺服電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài) 對(duì)應(yīng)這個(gè)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)矩Tn 和額定轉(zhuǎn)速nn n0 n T 0 nn T 最大功率 額定轉(zhuǎn)矩TN 額定轉(zhuǎn)矩TN 小結(jié)1 交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件 在介紹工作原理時(shí) 引出了圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的概念 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步速 它由電機(jī)的極數(shù)和電源