伺服電機(jī)教程【業(yè)界精制】

1、交流伺服進(jìn)階課程 MR-J3-A系列伺服放大器 作者：丁富偉 2011年11月,1,優(yōu)選知識,主要內(nèi)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(chǎn)品分類及軟件的使用 ） AC 伺服在傳送帶上的應(yīng)用速度控制 AC 伺服在收放卷設(shè)備上的應(yīng)用轉(zhuǎn)矩控制 AC伺服在機(jī)床設(shè)備上的應(yīng)用位置控制 伺服產(chǎn)品的安裝維護(hù)及相關(guān)報警 絕對位置控制系統(tǒng)原理簡介,2,優(yōu)選知識,1.1 AC伺服原理,構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)的元件叫伺服元件。由驅(qū)動放大器（AC放大器），驅(qū)動電機(jī)（AC伺服驅(qū)動電機(jī)）和檢測器組成,3,優(yōu)選知識,1.2.1 伺服放大器主回路,4,優(yōu)選知識,a 整流回路： 將交流轉(zhuǎn)變成直流，可

2、分為單相和三相整流橋。 平滑電容：對整流電源進(jìn)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(dá)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,1.2.1 伺服放大器主回路,5,優(yōu)選知識,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(nèi)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(dá)轉(zhuǎn)速的頻率、適合負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小的電流，驅(qū)動馬達(dá)。 逆變模塊采用IGBT開關(guān)元件。 e 動態(tài)

3、制動器： 具有在基極斷路時，在伺服馬達(dá)端子間加上適當(dāng)?shù)碾娮杵鬟M(jìn)行短路消耗旋轉(zhuǎn)能，使之迅速停轉(zhuǎn)的功能,1.2.1 伺服放大器主回路,6,優(yōu)選知識,1.2.2 伺服電機(jī),轉(zhuǎn)矩特性,三菱伺服電機(jī)屬于永磁同步電機(jī)。 伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流成正比 其從低速到高速都可以以恒定轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn),思考：伺服電機(jī)與普通三相異步電機(jī)的區(qū)別,連續(xù)運轉(zhuǎn)區(qū)域,瞬時運轉(zhuǎn)區(qū)域,7,優(yōu)選知識,1.2.2 伺服電機(jī),編碼器種類和結(jié)構(gòu),8,優(yōu)選知識,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),9,優(yōu)選知識,位置控制處理流程,1.3.1 伺服放大器控制回路,假設(shè)脈沖指令為1個脈沖，輸入時動作為： 偏差計數(shù)器成為

4、+1 轉(zhuǎn)變?yōu)?個脈沖對應(yīng)的電壓進(jìn)入放大器 放大器產(chǎn)生SPWM波驅(qū)動馬達(dá)旋轉(zhuǎn) 編碼器也相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，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(jié)果使DA轉(zhuǎn)換輸出0V到放大器， 放大器使馬達(dá)停止 完成1脈沖的定位,10,優(yōu)選知識,速度控制處理流程,模擬量形式的速度指令進(jìn)入速度 運算器，使電機(jī)開始運行 電機(jī)運行后使用編碼器旋轉(zhuǎn)，發(fā)出 脈沖反饋 脈沖反饋經(jīng)過FV轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬 量進(jìn)入伺服驅(qū)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,11,優(yōu)選知識,伺服放大器三種控制方

5、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(jī) 軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，主要應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)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(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 思考：三環(huán)中哪個環(huán)的響應(yīng)性最快,1.3.1 伺服放大器控制回路,12,優(yōu)選知識,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(jī)械的剛

6、性 （2）換算到電機(jī)軸的負(fù)載慣量 （3）電機(jī)軸的振動 （4）減速機(jī)構(gòu)的打滑,13,優(yōu)選知識,按照定位指令裝置輸出的脈沖串，對工件進(jìn)行定位控制。 伺服電機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行適合機(jī)械負(fù)荷的位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益調(diào)整,2.2 伺服的作用,14,優(yōu)選知識,3.1 三菱伺服產(chǎn)品介紹,MR-J3交流伺服系統(tǒng) 豐富的產(chǎn)品線,15,優(yōu)選知識,3.1 三菱伺服產(chǎn)品介紹,MR-J3系列放大器型號構(gòu)成,MR-J3,16,優(yōu)選

7、知識,3.1 三菱伺服產(chǎn)品介紹,MR-J3系列伺服電機(jī)型號構(gòu)成,17,優(yōu)選知識,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，抗干擾產(chǎn)品,3.2 選件,18,優(yōu)選知識,伺服放大器各部分構(gòu)造,19,優(yōu)選知識,伺服放大器輸入電源電路,20,優(yōu)選知識,顯示和操作,21,優(yōu)選知識,實驗,試運行點動 通過試運行模式中的點動運行確認(rèn)電機(jī)是否可以正常動作 操作方法,按住up和down鍵可使伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn) 松開，電機(jī)停止,通過伺服設(shè)置軟件可以修改轉(zhuǎn)速和加減速時間常數(shù),22,優(yōu)選知識,3.3 伺服設(shè)置軟件介紹,軟件系統(tǒng),23,優(yōu)選知識,3.3 伺服設(shè)置軟件介紹,設(shè)置軟件 MR-C

8、onfigurator setup221E,通訊連接,24,優(yōu)選知識,相關(guān)操作： 通訊設(shè)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(shè)置軟件介紹,25,優(yōu)選知識,3.3 伺服設(shè)置軟件介紹,機(jī)械分析器,更精確的機(jī)械性能,頻率范圍 10HZ1KHz 3HZ4.5KHz 檢測能力得到很大提高,26,優(yōu)選知識,3.3 伺服設(shè)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(jù)重寫功能,同時監(jiān)控指令/滯留脈沖/力矩 曲線圖,整定/機(jī)械特性確認(rèn),采集數(shù)據(jù) : 0.4ms x 30000點=12sec (J2S : 0.8ms x 1024點,27,優(yōu)選知識,3.3 伺服設(shè)置軟件

9、介紹,速度 / 力矩曲線數(shù)據(jù)監(jiān)控 在操作模式中可以確認(rèn)力矩余量,速度 力矩 曲線監(jiān)控功能,連続運転領(lǐng)域,短時間運転領(lǐng)域,實際運行曲線,28,優(yōu)選知識,3.4 容量選型軟件介紹,選型軟件MOTSZ111E,29,優(yōu)選知識,3.4 容量選型軟件介紹,30,優(yōu)選知識,3.4 容量選型軟件介紹,機(jī)械構(gòu)成圖,機(jī)械參數(shù),如選用MR-J3系列伺服，電機(jī)容量應(yīng)選擇多少,31,優(yōu)選知識,4.1 AC伺服在傳送帶上的應(yīng)用,控制方式：速度控制模式 控制特點：讓電機(jī)以參數(shù)中或者外部模擬量速度指令設(shè)定的轉(zhuǎn)動速 度高精度地平穩(wěn)的運行。 精細(xì) 速度范圍寬 速度波動小,32,優(yōu)選知識,4.1 AC伺服在傳送帶上的應(yīng)用,33,

10、優(yōu)選知識,4.3 速度控制使用時的接線,34,優(yōu)選知識,4.4 實驗一: 多段速,相關(guān)參數(shù)：PA01 控制模式（必需設(shè)定） PC01 加速時間常數(shù)（根據(jù)需要設(shè)定） PC02 減速時間常數(shù)（根據(jù)需要設(shè)定） PC03 S型加減速時間常數(shù)（根據(jù)需要設(shè)定） PC05PC11 內(nèi)部速度指令，設(shè)定內(nèi)部7段速（必須設(shè)定） PC37 模擬量速度指令偏置 PC12 模擬速度指令最大轉(zhuǎn)動速度,問題： 1. 使用軟件的趨勢圖功能監(jiān)控速度與轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)如何設(shè)置參數(shù)使

11、電機(jī)保持停止？ 5. 要求10v電壓對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，參數(shù)如何設(shè)置,多段速端子與速度關(guān)系表,35,優(yōu)選知識,4.4 實驗二: 速度模式下的轉(zhuǎn)矩限制,作用：限制電機(jī)在運轉(zhuǎn)時的最大轉(zhuǎn)矩,相關(guān)參數(shù)： PA11正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制， 設(shè)定最大轉(zhuǎn)矩限制=100% PA12反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制， 設(shè)定最大轉(zhuǎn)矩限制=100,方法一：內(nèi)部參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)矩進(jìn)行限制后 轉(zhuǎn)矩速度曲線的變化？ 2.當(dāng)外部模擬量轉(zhuǎn)矩限制和PA11/PA12 都有給定時，哪種方式有效,36,優(yōu)選知識,5.1 AC 伺服在收放卷設(shè)備上的應(yīng)用,收放卷中張力控制的目的： 穩(wěn)定傳送材料，防

12、止變形，確保尺寸精度等 張力控制基本結(jié)構(gòu),進(jìn)給機(jī)構(gòu)：將長尺寸的材料從左向右傳送 放卷機(jī)構(gòu)：為了保持一定的張力，需要隨著 卷徑的減少相應(yīng)的減少制動扭矩 收卷機(jī)構(gòu)：為了保持一定的張力，需要隨著 卷徑的增加相應(yīng)的增加制動扭矩 F=T/R 其中F為張力，T為電機(jī)輸出扭矩 R為卷徑,37,優(yōu)選知識,伺服系統(tǒng)張力控制原理： 張力控制即轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)荷取得平衡時，電機(jī)轉(zhuǎn)速為平衡 速度。因此轉(zhuǎn)矩控制時的速度由負(fù)荷決定。如電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比電機(jī)負(fù)荷大， 電機(jī)將會加速。為了防止出現(xiàn)過速度，應(yīng)設(shè)置速度限制值。 伺服系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩控制主要由電流控制環(huán)完成。 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T為 T=K1* Ia 符號說明：T：轉(zhuǎn)矩

13、 K1 ：常數(shù) ：磁通 Ia：電流 伺服系統(tǒng)在張力控制中的應(yīng)用： 張力控制時，電機(jī)扭矩的選定是根據(jù)連續(xù)運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，所以卷軸比（最大/最小卷徑的比率）變大時，需要相應(yīng)大功率的電機(jī),5.1 AC 伺服在收放卷設(shè)備上的應(yīng)用,38,優(yōu)選知識,5.2 AC 伺服的選型,注： 扭矩及轉(zhuǎn)速的允許使用范圍因各機(jī)種而 不同，一般按照最低扭矩為額定扭矩1% 以上，最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1/100以上 選取,39,優(yōu)選知識,5.3 使用時的接線,40,優(yōu)選知識,5.41 實驗一：缺省參數(shù)下轉(zhuǎn)矩模式實驗,要求： 電機(jī)輸出扭矩為0.032

14、NM，使用外部模擬量控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并監(jiān)控電機(jī) 當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和速度曲線 。 電壓與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖如下 正轉(zhuǎn)啟動RS1和反轉(zhuǎn)啟動RS2決定的 轉(zhuǎn)矩輸出與方向關(guān)系如下,相關(guān)參數(shù)： PA01： 控制模式 PC01： 加速時間常數(shù) PC02： 減速時間常數(shù),41,優(yōu)選知識,5.42 實驗二：轉(zhuǎn)矩模式下速度限制的應(yīng)用,第一種方式： 內(nèi)部速度指令進(jìn)行速度限制 相關(guān)參數(shù)：PC05（內(nèi)部速度1），PC06（內(nèi)部速度2），PC07（內(nèi)部速度3） 觀察并記錄SP1和SP2的不同通斷下組合下電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 第二種方式： 外部模擬量進(jìn)行速度限制,42,優(yōu)選知識,5.43 實驗三：轉(zhuǎn)矩指令偏置和增益設(shè)置實驗,增益調(diào)整：模擬轉(zhuǎn)矩

15、指令最大輸出 相關(guān)參數(shù)：PC13（TLC） 要求模擬量信號8v對應(yīng)為最大輸出轉(zhuǎn)矩的50%時，應(yīng)如何設(shè)定參數(shù)？ 偏置調(diào)整： 相關(guān)指令：PC38（TPO）模擬轉(zhuǎn)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(yīng)設(shè)置為正值還是 負(fù)值，設(shè)為多少,43,優(yōu)選知識,6.1 AC 伺服在機(jī)床設(shè)備上的應(yīng)用,系統(tǒng)組成： 伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動裝置（伺服電機(jī)），位置檢測裝置（編碼器），機(jī)械傳動 機(jī)構(gòu)，以及執(zhí)行部件等。 工作過程,控制特點： 調(diào)速范圍寬，精度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)快，能頻繁啟停和正反運行,44,優(yōu)選知識,6.2 AC伺服選型,選型條件： 伺服電機(jī)在選型時需滿足以下： 電機(jī)最大

16、轉(zhuǎn)速系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配 電機(jī)的額定扭力連續(xù)負(fù)載工作扭力 電機(jī)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(jù) 慣量匹配計算（JL/JM） 運行速度計算 電機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)載扭矩計算,45,優(yōu)選知識,6.3 使用時的接線,輸入輸出接線,46,優(yōu)選知識,6.3 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(zhuǎn)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(qū)動方式,47,優(yōu)選知識,6.4.2 電子齒輪比的概念

17、,齒輪比： 兩個直徑不同的齒輪結(jié)合在一起轉(zhuǎn)動，直徑大的齒輪轉(zhuǎn)速自然會比直徑小的齒輪轉(zhuǎn)慢一些，它們的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)，實現(xiàn)機(jī)械可以以任意倍率的輸入脈沖進(jìn)行移動,48,優(yōu)選知識,6.42 電子齒輪比的概念,電子齒輪比與指令脈沖的關(guān)系 Pc1=Pc*(CMX/CDV) 電子齒輪比與脈沖頻率的關(guān)系 fc1=fc*( CMX/CDV) 電子齒輪比的設(shè)定和機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)系 lo=Pb/Pfo 又因為Pc0*（CMX/CDV）=Pf0 lc =Pb/Pc0=Pb/Pf0* (CMX/CDV)=lo* （CMX/CDV） 即lc =

18、 lo* （CMX/CDV） 馬達(dá)速度與電子齒輪比的關(guān)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(jī)械移動量（mm/pulse） Pf0：馬達(dá)每轉(zhuǎn)的反饋脈沖數(shù)（pulse/rev） lc：每個指令脈沖的機(jī)械位移量（mm/pulse） Pc0：馬達(dá)每轉(zhuǎn)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,49,優(yōu)選知識,6.42 電子齒輪比的概念,

19、練習(xí)1： 已知伺服電機(jī)的編碼器分辨率是131072p/r，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，上位機(jī) 發(fā)送脈沖最大輸出頻率為200khz，要求達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，那么電子齒輪比應(yīng)設(shè)為多 少？ 練習(xí)2： 已知伺服電機(jī)編碼器分辨率為262144p/r，滾珠絲桿的進(jìn)給量為8mm （1）計算反饋脈沖當(dāng)量l0=？ （2）要求指令脈沖當(dāng)量為2um/p,電子齒輪比應(yīng)設(shè)為多少？ （3）要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，指令脈沖頻率應(yīng)設(shè)為多少？是否適用于 FX2N-10GM的定位模塊（其最大脈沖輸出頻率為200khz,50,優(yōu)選知識,6.43 原點回歸,使定位指令裝置的指令坐標(biāo)與機(jī)械坐標(biāo)一致的必須操作之一 增量型系統(tǒng)和絕

20、對型系統(tǒng)原點回歸的不同： 增量型系統(tǒng)：在電源關(guān)閉時不保持當(dāng)前位置，因而每次電源接通時必須進(jìn)行 原點回歸。 絕對型系統(tǒng)：在安裝時若進(jìn)行過原點回歸，即使關(guān)閉電源也可保持當(dāng)前位置 在瞬停，報警，電源關(guān)閉之后的電源接通時，則不需要進(jìn)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(zhǔn)的當(dāng)前停止地址開始 移動方向，取決于當(dāng)前停止地址與指定地址 增量型指令：由當(dāng)前停止位置地址為基準(zhǔn) 移動方向取決于移動量的符號（+/-符號,51,優(yōu)選知識,6.43 原點回歸,原點回歸方法 典型的近點檔快式原點回歸,52,優(yōu)選知識,6.44 位置/速度模式切換,使用控制切換（LOP）進(jìn)行位置模式和速度模

21、式的切換 LOP和控制模式的關(guān)系如下： 切換要求：零速度下進(jìn)行切換,注：比零速度高的速度下進(jìn)行切換 即使之后速度降為零了，也不能 進(jìn)行控制模式的切換,53,優(yōu)選知識,7.11 從安裝到運轉(zhuǎn)的作業(yè)流程,54,優(yōu)選知識,7.12 伺服放大器及電機(jī)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(fù)載率在75%下使用,電機(jī)的安裝 應(yīng)避免安裝在振動較大的地方，避免對電機(jī)軸進(jìn)行敲擊，以免造成編碼器故障,55,優(yōu)選知識,7.2 常見錯誤和報警,位置控制模式下 產(chǎn)生位置偏差的檢測方法,產(chǎn)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(jī)械停止位置 M,當(dāng)QP或者P* CMX/CDVC時，可能的原因有哪些,56,優(yōu)選知識,7.2 常見錯誤和報警,速度/轉(zhuǎn)矩控制模式下 正轉(zhuǎn)啟動或反轉(zhuǎn)啟動信號置on后，電機(jī)不旋轉(zhuǎn) 可能的原因如下：模擬量