伺服原理介紹

1、伺服原理 伺服原理伺服原理伺服主回路架構(gòu)伺服控制回路架構(gòu) 伺服伺服控制模式控制模式轉(zhuǎn)矩控制速度控制位置控制節(jié)點控制其他控制 伺服伺服使使用用接口電路及配線主要內(nèi)容 伺服原理伺服原理伺服主回路架構(gòu)伺服控制回路架構(gòu)伺服系統(tǒng)，大致上可分為下列幾項：伺服系統(tǒng)，大致上可分為下列幾項：1.1.指令部分：指令部分：動作指令信號的輸出裝置。2.2.驅(qū)動部分：驅(qū)動部分：接收指令部分的輸出，并驅(qū) 動執(zhí)行機構(gòu)（比如電機）動作的裝置。3.3.反饋部分：反饋部分：檢測執(zhí)行結(jié)構(gòu)或者負載狀態(tài) 的裝置。4.4.執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)：接收驅(qū)動部分的輸出信號，產(chǎn)生轉(zhuǎn)力矩、位置等狀態(tài)。伺服概述U UV VWWPWMPWMINVERT

2、ERINVERTERIGBTIGBTL1L1L2L2L3L3三相三相220V220VB2B2 B3B3數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器伺服主回路架構(gòu)主電容充電 在主電容充電中，我們看到一個繼電器，RLY1。使用這個繼電器是出于安全的目的。它保護這個電路并且限制上電時主電容C1的充電電流。1. 主回路動態(tài)制動是如何發(fā)生的？第一種情況：1.5kW以下的PRONET伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動電路雖然是通過一個繼電器動作的，但實際上是用一個動態(tài)制動電阻消耗電機轉(zhuǎn)子能量。這種方法使電機有一個較長的減速時間和平滑的停機。2. 動態(tài)制動動態(tài)制動是如何發(fā)生的？第二種情況：2kW以上的ProNet伺服驅(qū)動器的動態(tài)制動電路

3、通過一個可控硅代替繼電器動作，這是與1.5kW以下的伺服驅(qū)動器唯一不同的地方。電機轉(zhuǎn)子能量也是消耗在動態(tài)制動電阻上。這種方法也使電機平滑的減速。2. 動態(tài)制動動態(tài)制動何時發(fā)生？Servo Off：動態(tài)制動打開以保證安全。Servo On：動態(tài)制動關(guān)閉。伺服驅(qū)動器進入Servo Off狀態(tài)，當：1）S-ON輸入信號關(guān)閉；2）超程；3）伺服報警發(fā)生；4）主電源關(guān)閉。當以上事件發(fā)生時，我們能夠通過設定參數(shù)Pn004.0指定電機如何停機。2. 動態(tài)制動使用可控硅的動態(tài)制動2.0kW以上的伺服驅(qū)動器都使用了可控硅觸發(fā)動態(tài)制動，以此替代繼電器。但是需要注意的是，如果控制電源關(guān)閉，使用可控硅的伺服驅(qū)動器的動

4、態(tài)制動功能也將關(guān)閉。而使用繼電器的伺服驅(qū)動器，掉電或報警時保持動態(tài)制動狀態(tài)。2. 動態(tài)制動動態(tài)制動電阻為了使動態(tài)制動電路工作，必須有一些消除電機轉(zhuǎn)子能量的途徑，這就是動態(tài)制動電阻的作用。這個電阻消耗了電機的能量，從而使電機快速停止成為可能。然而，松下伺服驅(qū)動器內(nèi)并沒有動態(tài)制動電阻，那是因為電機繞組的阻抗已經(jīng)足夠用于制動了。2. 動態(tài)制動再生是在電機減速過程中的一種動作，此時電機等效為一個發(fā)電機。再生吸收了旋轉(zhuǎn)負載的動能，并將它轉(zhuǎn)化為電能，回饋到驅(qū)動器。3. 再生再生的目的再生有兩個主要功能：1）消耗運動負載的慣性能量；2）快速地對主電容放電。當伺服系統(tǒng)運行在額定轉(zhuǎn)速并且?guī)е试S的最大負載慣量，

5、伺服驅(qū)動器必須吸收停止負載時產(chǎn)生的全部能量而不損壞系統(tǒng)。如果系統(tǒng)運行在超過額定轉(zhuǎn)速或者帶著超過允許的最大負載慣量，那么必須有外部再生。再生值依賴三個因素：轉(zhuǎn)矩、減速度和運動周期。 3. 再生再生的目的 當再生電路中需要更大的元器件時必須有外部再生。有時，在一些特殊應用中電阻R的功率或電容C的容量不夠大，在這種情況下，就需要一個外部的電阻或電容作為內(nèi)部元器件的補充。 750W5.0kW的ProNet伺服驅(qū)動器都有內(nèi)部電阻R和電容C，如果需要外部再生，必須將內(nèi)部電阻R斷開（去掉B2和B3的外部短接線），并且在B1和B2端子上外接電阻。3. 再生時序 在下面的例子中，假定有220V的電源連接到伺服驅(qū)

6、動器，并參考簡單的再生電路示意圖。一個正常的P-N母線電壓是310V（220*1.41），當電機開始減速時，回饋到驅(qū)動器的能量開始提升P-N電壓，一些或全部的能量被用于給電容C充電。當母線電壓超過385VDC，再生晶體管TR就會打開，能量就會消耗到電阻R上，晶體管實際在385VDC到370VDC循環(huán)開關(guān)。3. 再生時序 帶負載的減速將需要幾個這樣的循環(huán)周期。當有再生不足時，可能會發(fā)生過壓報警（A13），表示母線電壓超過420VDC，或者發(fā)生再生異常報警（A16），表示TR打開時間太長（一個內(nèi)部寄存器專用于記錄TR的開/關(guān)時間）。 3. 再生時序 如果發(fā)生了A13和A16報警，我們需要改變再生電

7、阻R的阻值。我們需要消耗更多的流過電阻的電流量，因為V=I*R，我們能夠通過使用更小的阻值來增大流過電阻R的電流量。增大電阻功率并不一定是正確的解決問題的方法，因為流過電阻R的電流量還是一樣的。當改變了電阻之后，我們需要檢查再生電路是否滿足更小阻值的要求。一旦減小了阻值，就增大了流過它的電流，如果電流增加的太多，有可能超過電阻的額定功率，僅僅此時需要增大電阻的功率。 3. 再生再生的計算電機產(chǎn)生的能量：En=0.5JM(2N/60)2電容消耗的能量：Ec=0.5C（Vk2-Vr2） 電機繞組消耗的能量：Em= 3JMN(2Ir/60Tr)2*(Ra/td)負載消耗的能量：EL=0.5TL(2N

8、td/60)因為所有的能量之和必須為0，所以我們能夠計算出電阻必須消耗的能量為Er=En-Ec-Em-EL因此我們可以計算出再生電阻的功率為Wr=Er/Cycle 3. 再生再生的計算 如果再生電阻的功率超過內(nèi)部電阻的額定功率，我們必須外加一個電阻以彌補這些差額。 正如我們在公式中看到的，電機在停止負載時產(chǎn)生的能量，負載、電容C、電機繞組、電阻R都參與了能量的消耗。注意伺服驅(qū)動器不能應用于連續(xù)再生模式。3. 再生1CN 1CN COMCOM2CN2CN伺服控制回路架構(gòu) 伺服伺服控制模式控制模式轉(zhuǎn)矩控制速度控制位置控制節(jié)點控制其他控制控制模式u非速度控制，控制輸出的轉(zhuǎn)矩即為典型轉(zhuǎn)矩控制。u常使用

9、于張力控制等場合。u輸入為模擬量，模擬量大小與轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)系取決于轉(zhuǎn)矩指令增益。u舉例：假定用戶設定Pn400是100， 則表明若輸入10V的模擬量時,電機輸 出轉(zhuǎn)矩可以達到其額定轉(zhuǎn)矩的100% 。u轉(zhuǎn)矩控制首先應注意限制電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速可以用模擬量進行限制，也可以通過設置參數(shù)來限制轉(zhuǎn)速。u轉(zhuǎn)矩指令增益Pn400數(shù)值設定越小，相同模擬量對應的轉(zhuǎn)矩越大。1、Pn300速度指令增益2、Pn400轉(zhuǎn)矩指令增益3、Pn105轉(zhuǎn)矩指令濾波4、Pn406轉(zhuǎn)矩速度限制速度指速度指令增益令增益加減加減速速PI調(diào)PI調(diào)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)矩指轉(zhuǎn)矩指令濾波令濾波電流電流環(huán)環(huán)電機電機PGPG解碼測解碼測速電路速電路PG分PG分

10、頻電路頻電路-轉(zhuǎn)矩指轉(zhuǎn)矩指令增益令增益轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩限幅限幅參數(shù)限幅參數(shù)限幅Pn011Pn011Pn010Pn010外部限幅外部限幅模擬轉(zhuǎn)矩模擬轉(zhuǎn)矩模擬量限幅模擬量限幅轉(zhuǎn)矩前饋轉(zhuǎn)矩前饋+模擬速度模擬速度PAO、PBO、PCO差分輸出PAO、PBO、PCO差分輸出速度環(huán)框圖u速度控制即電機按照給定的速度指令進行運轉(zhuǎn)。u速度控制的應用場合相當廣泛，典型的應用場合有：需要快速響應的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)；由上位機進行位置閉環(huán)的定位系統(tǒng)；需要多檔速度進行快速切換的系統(tǒng)。u通常伺服的速度給定為模擬量，即模擬量幅值的大小決定了給定速度的大小，正負決定電機的轉(zhuǎn)向，而模擬量與轉(zhuǎn)速的對應關(guān)系取決于速度指令增益(Pn300)。P

11、/PI控制u速度環(huán)增益Pn102，通常是設定高一些以使得整個系統(tǒng)響應快一些，電機剛性也會增強。但是增益大了可能導致系統(tǒng)振動。一般負載慣量大的場合該參數(shù)設得大一些。u速度環(huán)積分時間Pn103，它的作用是消除靜差，數(shù)值設得越大響應越慢，到達指令時間越長。通常負載慣量越大，積分時間應設定得越大。u上位機作閉環(huán)時，應盡量不要設置軟起動減速時間參數(shù)Pn306、Pn307。u若沒有上位機作閉環(huán)，希望通過模擬量來使得電機完全停止，則必須采用零鉗位或比例控制。u用上位機作位置閉環(huán)時，模擬量不能自動調(diào)零。1、Pn300 速度指令增益2、Pn102 速度環(huán)增益3、Pn103 速度環(huán)積分時間4、Pn306 軟起動加

12、速時間5、Pn307 軟起動減速時間6、Pn200 PG分頻7、Pn310 速度指令曲線形式8、Pn309 S曲線上升時間0100009、Pn308 一次和二次濾波時間01000010、Pn311 S形狀選擇03電電流流環(huán)環(huán)電電機機P PG G速速度度環(huán)環(huán)P P調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)位位置置指指令令一一次次濾濾波波電電子子齒齒輪輪位位置置指指令令位位置置前前饋饋前前饋饋濾濾波波到到位位信信號號速速度度偏偏置置P PG G分分頻頻電電路路P PA AO O、P PB BO O、P PC CO O差差分分輸輸出出-+位置環(huán)框圖位置控制普遍應用在各種定位場合，可以直接替換各種步進傳動系統(tǒng)。一般情況下伺服通過接受脈

13、沖來進行位置控制，脈沖的個數(shù)決定了位置，脈沖的頻率決定了電機運行的速度。一個脈沖對應的位置當量，取決于機械結(jié)構(gòu)和電子齒輪。u使用電子齒輪設定將一個脈沖對應到一個位置當量（指令單位）上。這樣方便用戶，可以根據(jù)機械減速比等設置好電子齒輪，如指令單位與機械需要移動的位移匹配。u設定電子齒輪本質(zhì)上只要知道負載軸旋轉(zhuǎn)一圈工作臺移動的距離（分母Pn202），編碼器反饋的脈沖數(shù)（分子Pn201）。u工作臺移動的距離是多少個指令單位，反饋的脈沖數(shù)可以由電機的編碼器反饋得到。u詳細的設定步驟可以參考說明書，但要注意A是分母，B是分子。 由于目前國內(nèi)有的系統(tǒng)脈沖頻率偏低，如果只用一個電子齒輪，使得加工的效率和位置

14、分辨率無法兼顧，因此ProNet伺服具有第二電子齒輪（分子），且第一電子齒輪和第二電子齒輪之間可以動態(tài)切換。 第二電子齒輪只會在Pn005.1 = 1，且Pn001.3 = 1時有效，Pn203是第二電子齒輪的分子。Pn002.0是指兩種切換方式，PCON作為切換開關(guān)；若Pn001.3 = 0 時，PCON信號仍作為P/PI開關(guān)。第二電子齒輪動態(tài)電子齒輪的切換時序(1)動態(tài)電子齒輪的切換時序(2)動態(tài)電子齒輪的切換時序(3)錯錯動態(tài)電子齒輪的切換時序(4)u當上位裝置無加減速功能設置時。u當電子齒輪設定數(shù)值較大時。u指令脈沖頻率低時。u指令脈沖頻率不穩(wěn)定時。 以上這幾種情況根據(jù)需要設定位置指令

15、一次濾波、前饋等參數(shù)。當用戶設定的前饋較大時，設定前饋濾波效果會更好。位置環(huán)下的平滑運行u使用高增益有助于快速定位，減小跟隨誤差，但要注意位置環(huán)增益和速度環(huán)增益的匹配。u使用前饋技術(shù)理論上可以完全消除跟隨誤差，是快速定位的理想方法。u速度偏置補償。 以上三種方法使用不當都有可能引起系統(tǒng)的振蕩，一般相關(guān)的幾個插補軸的增益、前饋等參數(shù)應盡量設置的靠近或一樣。快速定位前饋功能 前饋功能縮短定位時間。前饋將使實際運動輪廓逼近指令運動輪廓。通常前饋增益Pn112設定在80%以下，對于大多數(shù)機械，設定超過80%將會引起振動，使用前饋濾波Pn113可以減小振動。通過分配偏置（設定偏差脈沖）到速度指令輸出，可

16、以減小最終的定位時間。該功能將使實際運動輪廓更逼近指令運動輪廓。偏置功能uProNet伺服系統(tǒng)內(nèi)部可以運行16個點位控制，每一節(jié)點速度可以設定，每一節(jié)點可以設置一次指令加減速時間。u可以延時換步，也可以外部輸入換步信號。u可以絕對值編程也可以相對編程。u可以循環(huán)運行，也可以單次運行，還可以找參考點。4. 點位控制1、啟動/停止功能，可以通過外部輸入來啟動/停止程序，也可通過通訊方式來啟動/停止程序。2、位置示教功能，F(xiàn)n008：tEACH-donE；經(jīng)過上述過程伺服系統(tǒng)會將當前位置修改為Pn687*10000+Pn688的數(shù)值。3、停止程序使得內(nèi)部脈沖停發(fā)，啟動后程序仍將這一步走完。4、用戶可

17、以選擇是否要啟動/停止功能，若需要該功能，用戶可以在P-CL，N-CL中選一個作為啟動/停止用，另一個可以仍作為搜索參考點用。5、S-OFF將使得用戶程序回到起始步，這樣便于用戶重新執(zhí)行程序。4. 點位控制Pn681.0 0 循環(huán)運行，PCL啟動信號，NCL反向找參考點1 單次運行，PCL啟動信號，NCL反向找參考點2 循環(huán)運行，NCL啟動信號，PCL正向找參考點3 單次運行，NCL啟動信號，PCL正向找參考點當Pn681.1 = 2或3時，PCL或NCL才可以作為啟動信號使用。4. 點位控制Pn681.1 0 延時換步，不需要啟動信號，S-ON以后延時啟動。1 PCON換步，不需要啟動信號，

18、S-ON以后延時PCON做啟動, 但PCON信號OFF時內(nèi)部脈沖不能被停止，只是不能換步。2 延時換步，要啟動信號，撤銷啟動信號可以立即關(guān)閉內(nèi)部脈沖，在重啟動時，回到程序起始點工作。3 PCON換步，要啟動信號，撤銷啟動信號可以立即關(guān)閉內(nèi)部脈沖，在重啟動時，回到程序起始點工作。4. 點位控制1、先將控制方式選成C，即Pn005.1 = C。2、確定系統(tǒng)是否要接限位開關(guān)，如不接則需要設置參數(shù)Pn001 、 Pn002 ，取消正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)禁止。3、是否要找參考點，搜索的速度，回頭的速度，都可以設定。4、確定總共有幾段位置，設定從哪個位置啟動，哪個位置停止。5、設定每一段的位置的位移、速度、一次濾波時

19、間常數(shù)。6、確定哪一個輸入為啟動/停止開關(guān)，哪一個是搜索參考點的開關(guān)。7、根據(jù)位置當量和機械結(jié)構(gòu)設定電子齒輪。8、確定換步方式。9、確定編程方式：絕對還是相對。10、確定是內(nèi)部S-ON，還是外接開關(guān)控制S-ON信號。以上步驟不分先后。點位控制的編程步驟4. 點位控制注意事項1、每一個點位的位移由兩個參數(shù)組成，實際編程的位移是由兩個參數(shù)的代數(shù)和組成，注意兩個參數(shù)的單位。2、注意搜索參考點的速度，若速度過大可以設定軟起動加減速，以減小對機械的沖擊。3、點位控制中，1CN可以不接任何輸入、輸出即可實現(xiàn)。4、目前只能順序換步。5、用戶可以通過觸摸屏和伺服通過Modbus協(xié)議進行通訊，進而可以通過觸摸屏

20、修改位置、速度等。4. 點位控制u控制方式從本質(zhì)上講只有3種位置、速度、扭矩。但是可以從中變化出很多不同的運行模式，這里我們將這些運行模式統(tǒng)稱為控制方式。uProNet共有14種控制方式，參數(shù)Pn005.1數(shù)值決定采用哪種控制方式。u除了位置、速度、扭矩控制方式外，還有接點指令速度控制，參數(shù)指令的速度控制。以及模擬指令速度控制、脈沖指令的位置控制、模擬指令的轉(zhuǎn)矩控制、接點指令的速度控制之間的相互切換。5. 其它控制l這種控制方式主要應用在用戶需要固定的幾檔速度切換。ProNet總共可以切換8檔速度，由PCON控制電機的正反轉(zhuǎn)，速度的切換由PCL，NCL控制，這里的PCL，NCL不再作為外部電流

21、限制使用。l軟起動加減速參數(shù)（Pn306、Pn307）在這里有效。(1)節(jié)點指令的速度控制5. 其它控制u采用這種控制方式伺服可以不接任何設備，即可連續(xù)運行。u速度的快慢、轉(zhuǎn)速的方向都是由參數(shù)Pn304設定。u用戶可以通過觸摸屏和伺服通過Modbus協(xié)議通訊修改速度，同時用戶也可以通過通訊得到電機實際轉(zhuǎn)速。(2)參數(shù)指令的速度控制5. 其它控制 伺服伺服使使用用接口電路及配線伺服電源接線伺服電源接線電源接線法與模擬指令輸入電路的接口模擬信號是速度指令信號和轉(zhuǎn)矩指令信號，指令輸入阻抗約40k，輸入信號的允許電壓為10V。速度指令輸入接口：轉(zhuǎn)矩指令輸入接口： 速度指令輸入接口： IO接口電路（1）與順序輸入電路的接口使用繼電器或者集電極開路的晶體管電路來連接。使用繼電器連接時，請選定微小電流用繼電器。如果不使用微小電流用繼電器，則會造成接觸不良。IO接口電路（2）與順序輸出電路的接口伺服報警、伺服準備就緒以及其它的順序用輸出信號由光電耦合器輸出電路構(gòu)成。使用繼電器、線接收電路連接。IO接口電路（3）脈沖輸入的指令接口IO接口電路（4）編碼器輸出信號接口將編碼器的2相(A相，B相)脈沖的輸出信號(PAO、/PAO、PBO、/PBO)和原點脈沖信號(PCO、/PCO)通過總線驅(qū)動器輸出電路進行輸出。IO接口電路（5）u伺服自身帶有數(shù)字操作器，可以進行一