伺服驅(qū)動器原理及選型課件

1、1,動作控制 伺服驅(qū)動器基礎(chǔ)課程,安川電機（上海）有限公司,2,1 伺服的定義和外觀結(jié)構(gòu) .2 伺服驅(qū)動的構(gòu)成 .3 伺服的性能評價,3,1.1 伺服的定義和構(gòu)成要素,伺服的定義,伺服的構(gòu)成要素,伺服系統(tǒng)-是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值 (或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng),4,1.1.1伺服的外觀結(jié)構(gòu)和銘牌,5,整流部,逆變部,電源部,控制部,電流演算部,商用電源,指令信號,電機,編碼器,回転角度情報,反饋,6,速度 控制部,編碼器,位置 反饋,電流反饋,電流 控制部,位置 控制部,位置速度變換,速度 反饋,速度環(huán),位置環(huán),電流環(huán),位置指令,電機,環(huán)路是由位置控制部

2、、速度控制部、電流控制部發(fā)出的指令控制部輸出指令反饋所形成的閉合回路。電流回路在伺服器內(nèi)閉合，位置回路、速度回路向伺服驅(qū)動外輸出,7,數(shù)字伺服的位置決定指令輸入信號是脈沖列。 位置決定量是脈沖數(shù)，位置決定速度是單位時間（秒）的脈沖量。 （：） 輸入的脈沖量與反饋的脈沖數(shù)量相一致時，這才完成了位置決定這一構(gòu)成。 在位置控制部中，因為有輸入脈沖的加算、反饋脈沖的減算，所以有一個計數(shù)器。 （也稱偏差計數(shù)器,1.2.2 位置控制部的構(gòu)成,8,1.2.3 速度控制部的構(gòu)成,速度控制部的構(gòu)成和積分器的運作,無積分器的話，必定有一個克服負荷摩 擦的轉(zhuǎn)矩，必然存在指令值與當(dāng)前值的 差，所以速度會達不到指令值,

3、多早去追上指令，這個時間可通過伺服器內(nèi)部的時參數(shù)來設(shè)定，這個值依存于機械的剛性。 時參數(shù)請參照后頁 設(shè)定方法、剛性等后述,象這樣比例控制（Proportional） 和積分控制（Integral）的組合 就稱為PI控制,像始動時那樣,盡可能使應(yīng)答遲緩減小的情 況時,PI-I單純作為比例增幅器運作。在正 常運行時,由于外亂轉(zhuǎn)矩等,PI-I作為積分 器運作.可對速度偏差進行積分,實行修正 控制,9,1.2.4 比例動作（動作,將增益調(diào)整到一個相當(dāng)?shù)牧繒r，比例動作增強，應(yīng)答速度變快。 輸入偏差為0時，有連續(xù)的運作,T=0,T=0,10,1.2.5 積分動作（動作,偏差變小、負荷動作越困難 偏差微量存

4、在，這個量就稱為殘留偏差（偏移）。 即使是小偏差,也可以積累成大的操作量。直到偏差成為0， 負荷才可以運作,T=0,T=0,11,i（,1.2.6 比例積分動作（動作,積分時間,0,P動作與I動作并用。 越短，動作表現(xiàn)越強,T=0,12,有關(guān)電流控制的性能評價 電流環(huán)增益 有關(guān)速度控制的性能評價 速度環(huán)增益 過渡應(yīng)答的速度環(huán)增益 頻率應(yīng)答的環(huán)增益 速度環(huán)積分時參數(shù) 有關(guān)位置控制的性能評價 位置環(huán)增益 位置決定整定時間 位置決定精度,評價伺服的應(yīng)答性（指令輸入后輸出的情況（電機如何轉(zhuǎn)動），使用回路增益這個用語。就是GAIN，獲得和利益的意思。是輸入和輸出之比所解釋的技術(shù)術(shù)語，現(xiàn)在直接使用增益來表

5、示,輸入A,輸出B,系統(tǒng),增益B/A,13,1.3.1 有關(guān)電流控制的性能評價,所謂電流控制的回路增益，就是由電流控制部輸入電流指令， 電流是怎樣流動的應(yīng)答性。 但是，這個應(yīng)答性是不依存機械而存在的，回路在伺服內(nèi)部，并且， 這個應(yīng)答性可以充分地高，因此不能與機械相調(diào)整,電流控制部,電流輸出應(yīng)答,與電機的應(yīng)答相比 顯著地早,14,1.3.2 有關(guān)速度控制的性能評價,速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時參數(shù)影響速度控制的性 能。 速度環(huán)增益中又包括過度應(yīng)答的速度環(huán)增益和頻率 應(yīng)答的速度環(huán)增益,15,過度應(yīng)答速度環(huán)增益 輸入階梯狀的信號之后到輸出指令值到達63.2%的這一段時間稱為 時參數(shù)，這個逆數(shù)稱為速度環(huán)增

6、益,1.3.2- A） 速度環(huán)增益,16,A-2） 所謂的頻率應(yīng)答特性速度環(huán)增益,電機回轉(zhuǎn)速度,速度指令電壓,電機回轉(zhuǎn)速度,增益EEi,位相遅,增益是（ ） 的頻率稱為這個頻率的頻率特性 是,1.3.2- A） 速度環(huán)增益,17,過度應(yīng)答性的速度環(huán)增益和頻率應(yīng)答性的速度環(huán)增益 的關(guān)系,1.3.2- A） 速度環(huán)增益,18,速度環(huán)積分時參數(shù)能對應(yīng)機械剛性進行設(shè)定。 速度環(huán)積分時參數(shù)縮短，指令也一致縮短時間，如果不縮短，機械會發(fā)生振動。 有必要設(shè)定適合的機械剛性,速度環(huán)增益和積分時參數(shù)之間有一定的關(guān)系,即使設(shè)定了最適的速度環(huán)增益,積分時參數(shù)設(shè)定不良時,1.3.2B） 速度環(huán)積分時參數(shù),19,位置環(huán)

7、增益 位置環(huán)增益就是進行位置決定的時候速度的應(yīng)答性。 在數(shù)字伺服中，位置決定指令是以脈沖信號輸入的。 位置決定量就是脈沖量。位置決定速度就是單位時間（S）內(nèi)通過的脈沖數(shù) （：）。 輸入的脈沖數(shù)和反饋的脈沖數(shù)一致時，才完成了位置決定過程。 在位置控制部，輸入脈沖的加算，反饋脈沖的減算，設(shè)置計數(shù)器 （也稱偏差計數(shù)器,1.3.3 位置環(huán)增益,20,速度指令 大,回転,位置決定動作的實例 指令單位在的距離中 以進行位置決定。 位置決定脈沖數(shù)：， 位置決定速度,1.3.3 位置環(huán)增益（続,21,用戶參數(shù),目標(biāo):在學(xué)習(xí)伺服系統(tǒng)在機械電機方面的安裝時，首先要學(xué)習(xí)如何調(diào)節(jié)用戶參數(shù)。 它是位置控制與電氣之間的一

8、個界面，它包含了電機 與編碼器的工作。其他的自動控制機器的連續(xù)性和互 鎖性,2.1 用戶參數(shù)的定義和安裝 2.2 用戶參數(shù)實例,22,2.1 用戶參數(shù)的定義和安裝,用戶參數(shù)有兩個類型。 選擇型 由16個環(huán)節(jié)4行組成。 根據(jù)各行的設(shè)定，選擇機能。 調(diào)整型 設(shè)定數(shù)值。 用戶參數(shù)可通過WIN+軟件，數(shù)字操作器，面板操作器設(shè)定,2 - 2,23,2.2 用戶參數(shù)概要,選擇型 (Pn-000 003等) 控制模式選擇 (位置,速度, 轉(zhuǎn)矩控制) 機能使用、不使用設(shè)定 報警時的伺服運作選擇 電機回轉(zhuǎn)方向的設(shè)定 I/O信號的開斷 （使用）不使用（常時ON、OFF,調(diào)整型(Pn100等) 各種增益 位置決定單

9、位、速度、及轉(zhuǎn)矩指令 信號 點動速度 有關(guān)轉(zhuǎn)矩速度的參數(shù) 連續(xù)參數(shù),以下是SGDM(SGDH)伺服用的 二個類型的參數(shù),24,2.2.1 選擇型用戶參數(shù)的代表例,分 類,設(shè) 定 値,説 明,電機,電機回轉(zhuǎn)方向設(shè)定,Pn000的0位 0以及,0:正轉(zhuǎn) 1:逆轉(zhuǎn),控制模式選擇,Pn000的1位 0B,0:速度控制 1:位置控制 2:轉(zhuǎn)矩控制 3:內(nèi)部設(shè)定速度選擇 等,伺服OFF時及報警發(fā)生時的停止法,Pn001的0位 01以及2,0:以動態(tài)制動（DB）停止 1:以DB停止、在這之后DB解除 2:自由運行狀態(tài)停止,超程時停止選擇,Pn001的1位 0以及2,0:自由運行停止：減速停止后伺服振動 2:

10、減速停止后自由運行狀態(tài),AC/DC電源輸入 選擇,Pn001的2位 0以及,0: AC電源輸入 1: DC電源輸入,警報代碼輸出,Pn001的3位 0以及,0:只在端子AOL1,AOL2,AOL3輸出警告代碼 1:故障代碼、警告代碼兩方面輸出,25,分 類,參數(shù),名 稱,出廠設(shè)定,增益關(guān)系,Pn100,Pn101,Pn102,Pn103,Pn104,Pn105,Pn106,速度環(huán)增益,速度環(huán)積分時參數(shù),位置環(huán)參數(shù),慣性力矩比,第2速度環(huán)增益,第2速度環(huán)積分時參數(shù),第2速度環(huán)增益,40,2000,40,0,40,2000,40,單位,HZ,0.01ms,s,HZ,0.01ms,2.2.2 用戶參

11、數(shù)（調(diào)整型）代表例,26,3.1 增益的特性確認 3.2 在線自動運行 3.3 手動運行,目標(biāo)：伺服增益特性的增益,27,3.1 增益特性確認1,Kv=120,Kp=80,Kv=120,Kp=120,位置環(huán)增益的變更整定時間變化,COIN信號使用,28,3.1 增益特性確認 2,速度環(huán)積分時參數(shù)超程的影響,Kv=120Hz,Ti=8.0ms,Kv=120Hz,Ti=2.0ms,超程小、位置決定遲緩,超程大、位置決定快速,29,位置決定量： 10轉(zhuǎn) 位置決定速度： 3000 min-1,只上升Kp,應(yīng)答變快, 觀察速度帶來的振動,Kv=40,Kp=100, JL/JM=460,Kv=160,Kp

12、=100, JL/JM=460,Kv=40,Kp=40, JL/JM=460,3.1 增益特性確認 3,和的平衡,30,1)在線自動運行 在伺服的運行中測定負荷慣性的最大值, 一定地保持以速度環(huán)增益 或位置環(huán)增益為目標(biāo)的機能。 ) 自動運行下的自動設(shè)定增益 速度環(huán)增益 Kv （Pn100） 速度環(huán)積分時參數(shù)Ti （Pn101） 位置環(huán)增益 Kp （Pn102） 轉(zhuǎn)矩指令濾波器時參數(shù) （Pn401,31,在手動運行不能滿足應(yīng)答特性的情況、還可通過提前運行、分別地對增益一個一個地進行運行,僅位置控制的時候,根據(jù)上位控制的指令輸出，進行增益的調(diào)整,來自上位控制的指令輸出為0的時候，電機完全停止，調(diào)整

13、偏置,即使手動運行還不能滿足應(yīng)答特性的情況,提前運行機能可適用,進行調(diào)整,積分時參數(shù)長，位置環(huán)增益小。為了得到最適應(yīng)答性，調(diào)整速度環(huán)增益,直到無機械振動,將積分時參數(shù)進行縮短調(diào)整,直到無機械振動,將位置環(huán)增益進行擴大調(diào)整,32,根據(jù)不同的增益,學(xué)習(xí)如何改變應(yīng)答特性,Kv=40HZ Ti=20ms Tf=1ms,Kv=85HZ Ti=10ms Tf=0.5ms,Kv=160HZ Ti=6ms Tf=0.21ms,由始動開始到達指令值指時間為 8,同 5,同 3.7,33,電機的機種和容量的選定,4.1,選定公式的導(dǎo)入,4.2,為選定而討論的項目,選定講習(xí),4.3,4.4,樣本讀取的方法,再生討論

14、,4.5,目標(biāo),學(xué)習(xí)伺服電機(機種和容量)選型公式的要點。并且根據(jù)向本社用戶提供的電機選型軟件,進行選型講習(xí)和再生討論,34,4000,3000,1000,2000,2,4,6,8,0,轉(zhuǎn)矩 (Nm,速度 (min-1,瞬時最大轉(zhuǎn)矩（瞬時究竟是多少秒？ 參照下頁的符負荷特性,連續(xù)使用最大轉(zhuǎn)矩,連續(xù)使用區(qū)域,反復(fù)使用區(qū)域,RMS轉(zhuǎn)矩在連續(xù)使用范圍內(nèi)的話、在過負荷特性容許時也可以使用（關(guān)于實效值以后敘述,安全使用區(qū)域 RMS轉(zhuǎn)矩必須在這個區(qū)域里,額定回轉(zhuǎn)速度（以額定速度運行的電機 回轉(zhuǎn)速度,SGMAH-08A,失速轉(zhuǎn)矩,速度為0時的轉(zhuǎn)矩,5000,4.1,樣本的讀取 1,A) 轉(zhuǎn)矩-回轉(zhuǎn)速度特性,

15、35,B) 過負荷特性,通電時間,s,1000,100,5,3,1,0.7,1,3,2,電機額定電流 (,樣本的讀取 2,熱啟動,冷啟動,熱啟動： 電機在熱飽和狀態(tài)使用的情況,冷啟動： 電機在充分冷卻時運作的情況,額定的多少倍（）的電流、經(jīng)過幾秒流過,見右圖、冷啟動、 2倍的額定電流在秒中流過 讀取情況還是相當(dāng)良好,4.1,36,4.1 伺服選型原則及步驟,一、伺服選型原則 力矩:負載力矩額定力矩;加速力矩最大力矩; 轉(zhuǎn)動慣量比:負載側(cè)轉(zhuǎn)動慣量與電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量比要在電機允許范圍內(nèi) 轉(zhuǎn)速:設(shè)計轉(zhuǎn)速電機最大轉(zhuǎn)速 控制方法:模擬量控制、脈沖控制或通信控制 安裝尺寸:應(yīng)考慮電機法蘭面、軸徑、整體尺寸

16、 制動器：電機是否需要帶制動器(根據(jù)機械結(jié)構(gòu)） 使用環(huán)境：電機是否要加油封（是否有油水） 再生能量：再生能力是否過大，需加外置再生電阻,37,4.2 選型公式的導(dǎo)入1,得,根據(jù)和 的關(guān)系,由,38,工作臺： 質(zhì)量 （） 移動速度 （,電機,連軸器以及減速機 （減速比,N M （in-,機械效率,推力 ：（） 下注,摩擦系數(shù),滾珠絲杠： 長度 （） 導(dǎo)程（） 直徑 （） 密度 （,電機（回轉(zhuǎn)速度：N（min-）輸出的 倍就成為工作臺運行的動力。 這個時候電機轉(zhuǎn)矩T,得,另,如果有,那么下式也成立,注： 所謂推力，就是金屬加工時與切削力反作用的力，它是外力施與工作臺的一個很重要的力。只是工作臺移動

17、的情況時F=0,4.2 選型公式的導(dǎo)入2,由,39,電機（回轉(zhuǎn)速度：N（min-）考慮到回轉(zhuǎn)運動能可換算改變成直線運動能、電機軸換算工作臺慣性力矩J（kg）可由下式導(dǎo)出,得,以及,4.2 選定公式導(dǎo)入3,由,40,滾軸絲杠的慣性力矩J與質(zhì)量知曉的話，就導(dǎo)出下式,質(zhì)量不知曉的話，明白材質(zhì)的密度就可導(dǎo)出下式,體積,4.2 選型公式導(dǎo)入4,41,電機（回転速度：N（min-）的回轉(zhuǎn)能量可以看作滾軸絲杠的回轉(zhuǎn)能量、電機軸換算的滾軸絲杠的慣性力矩J3 （kg）可由下式導(dǎo)出,滾軸絲杠的電機軸換算慣性力矩,根據(jù),電機軸換算全負荷慣性力矩,連軸器以及減速機的慣性力矩,注：一般來說，由電機軸來看減速機的慣性力矩

18、是減速機廠家定好的。 不能給與連軸器的慣性力矩的，就用質(zhì)量、直徑以及材質(zhì)密度 直徑以及厚薄，利用公式算出滾軸絲杠的慣性力矩,4.2 選定公式導(dǎo)入5,得到,42,給與機械所要求的始動時間、制動時間，但究竟要給多少的始動轉(zhuǎn)矩、制動轉(zhuǎn)矩，由下式可以求得,始動（Tp（N,根據(jù)回轉(zhuǎn)運動的基本公式 T=J、 電機的慣性力矩JM、電機軸換算的 全負荷慣性力矩JL、所要始動轉(zhuǎn)矩 T、電機軸換算負荷轉(zhuǎn)矩TL （T TL）是對加速有益的轉(zhuǎn)矩 下式成立,得,4.2 選型公式的導(dǎo)入6,由,43,制動時,負荷轉(zhuǎn)矩有下式的關(guān)系成 立,制動轉(zhuǎn)矩（T（N,注 ： 這個式子的成立條件,電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(電流)飽和并且電機回轉(zhuǎn)速度

19、接近額定速度。 回轉(zhuǎn)速度低的時候的始動時間隨著應(yīng)答性是由增益決定的,得,4.2 選定公式導(dǎo)入7,由,44,4. 3 為選定所討論的項目,實效值,這個電流 稱為 電流 i1(t1）i 2(t 2 ) i 3 (t 3)的 實效值。1,1,（t1+t2+t3+t4,3,4,t,電阻R的電流器如下圖與電流流過時的發(fā)熱量相同,直流電I與發(fā)熱量Q的關(guān)系,Q（,在伺服器的情況下,轉(zhuǎn)矩與電流成正比關(guān)系,轉(zhuǎn)矩的實效值與電流實效值計算方法相同,這個值 在額定轉(zhuǎn)矩以下的話,電機就會產(chǎn)生熱量,45,4.4 選定講習(xí),根據(jù)左圖的機械例,想定具體的值,進行電機選定的講習(xí),工作臺質(zhì)量 m ： 50（kg） 工作臺移動所要

20、求的推力 F ： 2（） 工作臺臺面的摩擦系數(shù) ： 0.2 機械效率 ： 0.9 工作臺移動速度 ： 12（m/min） 滾軸絲杠導(dǎo)程 PB： 6（mm） 滾軸絲杠長度 LB： （m） 滾軸絲杠直徑 DB： 25（mm） 滾軸絲杠材質(zhì)密度 ： 7.87（） 減速比 /R ： 1/2 （滾軸絲杠回轉(zhuǎn)速度電機回轉(zhuǎn)速度） 連軸器以及 L：0.45（kgcm） 減速機慣性力矩 1轉(zhuǎn)所行走的距離 L：0（mm） 轉(zhuǎn)所需要的時間 ： 1.0（） 位置決定時間 ：0.3（） 停止時間 ： 0.7（,46,a) 速度線圖,4.4 選定講習(xí),機械性能如下圖速度曲線所示,b) 電機所要的回轉(zhuǎn)速度NM（min-1,

21、電機的回轉(zhuǎn)速度在4,000min-1、就應(yīng)該選擇最高回転 速度在4,000min-1以上的機種。 這里選擇的是系列。 或者使用超過額定速度、連續(xù)轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩小的電機,根據(jù)（）式,47,c) 正常運行轉(zhuǎn)矩L（Nm,利用工作臺的電機軸換算負荷轉(zhuǎn)矩L（）式求得,即使是使用（）式,結(jié)果相同,4.4 選型講習(xí),48,d） 電機軸換算全負荷慣性力矩JL（gm2,d） 工作臺的電機軸換算慣性力矩 JL1,工作臺的電機軸換算慣性力矩L（）以及（）式求得,d） 滾軸絲杠的電機軸換算慣性力矩 JL,d）電機軸換算全負荷慣性例矩JL（gm2,就此例,滾珠絲杠的電機軸換算慣性力矩L由（）、（）式求得,由此值,為了使慣性力矩比不超過30倍,假設(shè)選定為200W,4.4 選型講習(xí),49,e） 始動時間ta（）、制動時間td（） （由圖 ta=td,