6-2交流伺服電機控制系統(tǒng)的連接與調(diào)試

1、項目六 行走機械手的速度與位置控制系統(tǒng)的調(diào)試與維護 6-2交流伺服電機控制系統(tǒng)的連接與調(diào)試1.認(rèn)識伺服電機和伺服驅(qū)動器；2.會PLC與伺服電機及驅(qū)動器的連接和應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標(biāo)提綱一、任務(wù)要求二、相關(guān)知識三、任務(wù)實施1.按下“回原點”按鈕，工作臺能自動返回到原點位置；2.按“啟動”按鈕, 控制工作臺在設(shè)定范圍AB間(40mm)循環(huán)往復(fù)運動；3.按“停止”按鈕, 工作臺走完當(dāng)前周期停止運動；4.按“左移或右移”按鈕, 點動控制工作臺左右移動, 不超出左右極限位置；5.工作臺移動的速度要達到10mm/s。絲桿的螺距為4mm 。一、任務(wù)要求圖1 工件臺示意圖伺服電機PLC伺服驅(qū)動器交流電源圖2 系統(tǒng)控制

2、方案采用如圖所示裝置來實現(xiàn)上述任務(wù)：伺服電機HF-KN23J-S100伺服驅(qū)動器MR-E-20AFX3U-48MT近點開關(guān)模擬工作臺控制按鈕模塊 如, 數(shù)控機床、機器人、食品包裝、紡織機械、醫(yī)療設(shè)備、 半導(dǎo)體設(shè)備、印刷機械等。1. 伺服電機（ServoMotor） 將脈沖信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速和角位移的控制執(zhí)行元件。分類：直流伺服電機 交流伺服電機（廣泛應(yīng)用）應(yīng)用：主要用于高精度和動態(tài)響應(yīng)高的自控系統(tǒng)。伺服電機與步進電機相比較：相同點：控制方式均可采用脈沖控制不同點：伺服電機在控制精度、運行性能、速度響應(yīng)等方面優(yōu)越 二、相關(guān)知識（1）永磁同步交流伺服電機結(jié)構(gòu)及基本工作原理 主要由“定子、轉(zhuǎn)子、編碼器”

3、三部分組成；定子轉(zhuǎn)子編碼器 定子三相繞組中通入三相交流電,產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。 轉(zhuǎn)子是一個永磁體,在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下,轉(zhuǎn)子與磁場同步旋轉(zhuǎn)。 電機轉(zhuǎn)速：電機轉(zhuǎn)速：n = n1 = 60f /pn = n1 = 60f /p 編碼器負(fù)責(zé)對伺服電機的轉(zhuǎn)速和角位移進行檢測，決定著伺服電機的精度。思考：伺服電機的三相交流電與普通三相異步電機有什么區(qū)別呢？三相異步電機（380V工頻50HZ交流電）；永磁同步交流伺服電機（ “伺服驅(qū)動器”提供電 ）；（2）伺服電機的編碼器增量型光電旋轉(zhuǎn)編碼器是用于測量轉(zhuǎn)動物體的角位移量、角速度的傳感器；按檢測原理：光電式、霍爾磁式、感應(yīng)式;光電旋轉(zhuǎn)編碼器按輸出信號形式：增量

4、型、絕對型; 結(jié)構(gòu)：碼盤、發(fā)光管、光電接收管、放大整形電路。工作原理: 電機旋轉(zhuǎn)時,編碼器應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換原理輸出的A、B、Z 三相脈沖信號,用來檢測轉(zhuǎn)軸的位置、方向及速度。A AB BZ ZlA相和B相輸出脈沖數(shù)相同，電氣相位差90 l旋轉(zhuǎn)方向: 正轉(zhuǎn)A相超前B相90;反轉(zhuǎn)A相滯后B相90;l旋轉(zhuǎn)一周Z相只輸出一個脈沖, 用于復(fù)位調(diào)整軸的基準(zhǔn)位置.增量型編碼器特性：輸出信號: 反映旋轉(zhuǎn)角度變化的脈沖信號, 輸出相對值。分辨率：軸旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)特點：原理構(gòu)造簡單、價格低、可靠性高。運行方式： 每次接通電源時, 需重新進行原點復(fù)位操作。 現(xiàn)用一臺伺服電機通過滾珠絲杠驅(qū)動工作臺直線位移。（絲杠螺

5、距為10mm, ） 如果應(yīng)用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器檢測電機的角位移量。（編碼器分辨率為1440ppr）試求： 當(dāng)編碼器輸出2880個計數(shù)脈沖時, 工作臺移動了多少距離？ 要使工作臺移動25mm, 編碼器輸出脈沖數(shù)？思考：2880個脈沖:電機轉(zhuǎn)過角度=2880/1440=2(圈）,工作臺移動 102=20mm,工作臺移動 25mm, 編碼器收到： (25/10 ）1440 =3600 .（3）HF-KN23J-S100伺服電機參數(shù)名稱參數(shù)名稱額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速額定輸出額定輸出最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩阻尼扭矩阻尼扭矩電機慣量電機慣量參數(shù)值參數(shù)值3000r/min200W1.9N.m0.62N.m0

6、.02N.m0.24kg.cm2(1)特點(2)轉(zhuǎn)矩特性(3)參數(shù)低慣量、小容量額定輸出200W額定轉(zhuǎn)速3000r/min不帶電磁制動器自帶編碼器分辨率131072PPr（3）HF-KN23J-S100伺服電機 低轉(zhuǎn)動慣量, 保證系統(tǒng)的高動態(tài)響應(yīng)特性。 轉(zhuǎn)子阻抗高，保證起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬， 適應(yīng)于高速大轉(zhuǎn)矩的工作狀態(tài)。 無電刷和換向器、定子散熱,運行可靠,維護保養(yǎng)方便。 結(jié)構(gòu)緊湊，同功率下保證較小的體積和重量。（4）交流伺服電機特點技術(shù)參數(shù)：調(diào)速范圍：一般100010000rpm, 可達100000；低速下穩(wěn)速精度：一般0.1rpm, 可達 0.01rpm；伺服電機功率：100W1KW占市

7、場的 70%；轉(zhuǎn)速：3000rpm內(nèi)占50%；3000 6000rpm占40%, 10000rpm以上約10% 伺服系統(tǒng)組成：控制器、伺服驅(qū)動器、電機及檢測裝置等2.伺服驅(qū)動器伺服電機如何能實現(xiàn)高速高精度的運動控制？ 伺服驅(qū)動器接收上位控制器的指令信號, 經(jīng)過功率放大變換,驅(qū)動伺服電機。 采用編碼器測量轉(zhuǎn)軸角位移量和角速度,將信號反饋給伺服驅(qū)動器, 組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。三菱伺服放大器系列主電路主電路接口接口控制電路控制電路（1）伺服驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（以MR-E-20A伺服放大器為例）1）主電路逆變逆變整流整流 濾波儲能濾波儲能應(yīng)用“交-直-交”變換原理、PWM技術(shù)；制動器制動器思考：與變頻器的區(qū)

8、別電流、速度、位置三環(huán)系統(tǒng)2）控制電路 由“位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)”組成三環(huán)伺服控制是實現(xiàn)高精度伺服控制的核心。也是與變頻器不同的地方。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)用于嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)矩的場合，響應(yīng)最快。速度控制:通過模擬量的輸入或脈沖，經(jīng)過編碼器檢測速度, 按PI控制規(guī)律輸出速度偏差信號,再通過電流環(huán)動態(tài)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。位置控制：包括“位置檢測、功率變換和伺服電機，及速度和電流兩個內(nèi)環(huán)等，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,常用于定位控制。伺服控制的三種模式： “位置控制P、速度控制S 、轉(zhuǎn)矩控制T

9、”三種模式,可根據(jù)不同項目的控制要求, 選擇其中一種或兩種組合。2）控制電路（2）伺服放大器型號代碼（1）銘牌）銘牌（2）型號）型號（3）伺服放大器端子1）部件定義顯示器操作按鍵通訊接口I/O接口編碼器接口充電指示燈伺服電機電源接口電源再生接頭保護接地端子2）信號端子排列3）內(nèi)部連接圖4）電源5）輸入信號5）輸入信號6）輸出信號（4）伺服放大器安裝接線 伺服放大器應(yīng)垂直安裝，預(yù)留足夠的散熱空間；伺服放大器應(yīng)垂直安裝，預(yù)留足夠的散熱空間；1）安裝l主電路電源:L1、L2、L3；l電機接線:伺服電機U(紅)、V(白)、W(黑)必須與伺服放大器相序一致； l禁止將輸入電源線與輸出電機線反接！l伺服放

10、大器及電機必須可靠接地(PE綠)；l各類信號抗干擾屏蔽連接；2）主電路接線3）輸入電源接線3）輸入電源接線（時序圖）4）伺服放大器與電機接線在電源接通期間，不要斷開電機電源線，否則，可能發(fā)生誤操作或故障；在電源接通期間，不要斷開電機電源線，否則，可能發(fā)生誤操作或故障；應(yīng)用獨立電源應(yīng)用獨立電源24VDC24VDC為電磁制動器供電為電磁制動器供電; ;發(fā)生故障報警時發(fā)生故障報警時, ,電磁制動器控制電機電磁制動器控制電機快速停車?？焖偻＼嚒？刂齐娐冯娫? L1、L2；與外部接口連線： CN1: 各類控制信號接口； CN2 ： 編碼器接口, 采用專用電纜線連接； CN3： 放大器模擬量輸出接口；RS

11、232C通信接口；5）控制回路接線（5）伺服放大器參數(shù)設(shè)定 正確設(shè)置伺服放大器參數(shù), 才能保證伺服系統(tǒng)正常運行。MR-E伺服放大器參數(shù)分為： 基本參數(shù)(NO.0 NO.19)、擴展參數(shù)1 (NO.2049), 擴展參數(shù)2（NO.5084）；出廠狀態(tài)只能修改基本參數(shù), 通過設(shè)置NO.19參數(shù)可改變訪問范圍；（注（注:設(shè)定參數(shù)設(shè)定參數(shù)NO.19后后,需斷開電源需斷開電源,再重新上電再重新上電,參數(shù)才會生效參數(shù)才會生效)1）基本參數(shù)表（5）伺服放大器參數(shù)設(shè)定2）伺服系統(tǒng)控制模式設(shè)定（參數(shù)NO.0） 3）電子齒輪比（參數(shù)NO.3， NO.4）位置控制模式位置控制模式, , 需要設(shè)置電子齒輪參數(shù)需要設(shè)置

12、電子齒輪參數(shù)NO.3NO.3和和NO.4, NO.4, 它們與系統(tǒng)的它們與系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、控制精度有關(guān)機械結(jié)構(gòu)、控制精度有關(guān), , 電子齒輪設(shè)定范圍：電子齒輪設(shè)定范圍：1/50 CMX/CDV50;1/50 CMX/CDV50;必須在伺服放大器停止?fàn)顟B(tài)下必須在伺服放大器停止?fàn)顟B(tài)下, , 進行電子齒輪設(shè)定進行電子齒輪設(shè)定, , 設(shè)定錯誤可能導(dǎo)致設(shè)定錯誤可能導(dǎo)致錯誤運行錯誤運行, , 無法達到預(yù)期運行結(jié)果。無法達到預(yù)期運行結(jié)果。 上位機發(fā)出的“輸入脈沖串頻率”受伺服放大器最大輸入脈沖頻率限制 (集電極開路方式 200kpps,差動驅(qū)動方式500kpps), 應(yīng)用電子齒輪倍率, 使輸入脈沖串頻率提高

13、后, 再與反饋脈沖進行比較PID偏差調(diào)節(jié)。以電機軸旋轉(zhuǎn)一周為例,要求: “比較器的輸入脈沖個數(shù)=反饋脈沖個數(shù)”時, 才能控制電機旋轉(zhuǎn)一周后停止。如圖 以電機軸旋轉(zhuǎn)一周為基準(zhǔn), 計算電子齒輪比參數(shù):上位機發(fā)出的指令脈沖個數(shù)電子齒輪比 = 反饋脈沖個數(shù)；3）電子齒輪比-電子齒輪的概念4）狀態(tài)顯示選擇 (參數(shù)NO.18)5）指令脈沖選擇 (參數(shù)NO.21)6）參數(shù)顯示與操作思考：修改參數(shù)思考：修改參數(shù)NO.0。 讓電機點動試運行。讓電機點動試運行。操作1：修改參數(shù)NO.0需要移動到下一參數(shù)時，使用需要移動到下一參數(shù)時，使用“up”up”和和“down”down”按鍵。按鍵。使用使用“MODE”MOD

14、E”按鍵進入基本參數(shù)畫按鍵進入基本參數(shù)畫面面6）參數(shù)顯示與操作操作2：讓電機點動試運行通過試運行模式中的點動運行確認(rèn)電機是否可以正常動作通過試運行模式中的點動運行確認(rèn)電機是否可以正常動作按住按住upup和和downdown鍵可使伺服電機旋轉(zhuǎn)松開，電機停止。鍵可使伺服電機旋轉(zhuǎn)松開，電機停止。需要結(jié)束需要結(jié)束JOGJOG運行時，可以切斷電源，或使用運行時，可以切斷電源，或使用“MODE”MODE”按鍵進入下一畫面后按住按鍵進入下一畫面后按住“SET”SET”按鍵按鍵2 2秒秒鐘。鐘。6）參數(shù)顯示與操作任務(wù)任務(wù)實施實施軟硬件調(diào)軟硬件調(diào)試試程序設(shè)計程序設(shè)計伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)器參數(shù)設(shè)置置三、任務(wù)實施硬件電路硬件電路設(shè)計設(shè)計（1）系統(tǒng)主電路1. 電路設(shè)計（2）系統(tǒng)控制回路2.伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置參數(shù)參數(shù)名稱名稱出廠值出廠值設(shè)定值設(shè)定值說說 明明NO.0控制模式