伺服驅(qū)動(dòng)器原理及應(yīng)用培訓(xùn)（PPT47頁(yè))

1、1一、電流環(huán)一、電流環(huán)二、速度環(huán)二、速度環(huán)三、位置環(huán)三、位置環(huán)四、主回路四、主回路五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)六、再生六、再生七、伺服選型七、伺服選型2一、電流環(huán)一、電流環(huán)功能圖功能圖3一、電流環(huán)一、電流環(huán)電流傳感器電流傳感器 電流傳感器CT1和CT2在電流環(huán)中的作用就是感應(yīng)通過(guò)電機(jī)的電流，并且將它轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬電壓信號(hào)。然后這個(gè)模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)PWM轉(zhuǎn)換電路到ASIC。在這里只需要2個(gè)電流傳感器，因?yàn)镃PU能夠根據(jù)公式Iu+Iv+Iw=0計(jì)算出W相的電流。 4一、電流環(huán)一、電流環(huán)功率晶體管功率晶體管 在電流環(huán)中包括6個(gè)功率晶體管。EDB伺服驅(qū)動(dòng)器中使用的是IPM智能功率模塊，內(nèi)置有6個(gè)IGBT及

2、其驅(qū)動(dòng)電路，另外，還包括過(guò)流檢測(cè)、過(guò)熱檢測(cè)。EDB-05使用了15A的IPM。EDB-10/15使用了30A的IPM。EDB-20使用了50A的IPM。EDB-30/50使用了75A的IPM。5一、電流環(huán)一、電流環(huán)CPU CPU比較電流指令和電流反饋，作為結(jié)果的波形送入放大器，再經(jīng)過(guò)PWM后將信號(hào)送到功率晶體管。6一、電流環(huán)一、電流環(huán)PWM PWM（脈寬調(diào)制）是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方法。在模擬信號(hào)上加上一個(gè)載波頻率，其大小依賴(lài)于功率模塊的開(kāi)關(guān)次數(shù)。每當(dāng)模擬信號(hào)與載頻波形交叉時(shí)，PWM輸出就發(fā)生一次轉(zhuǎn)換，一系列的轉(zhuǎn)換就形成了方波信號(hào)，其表現(xiàn)為模擬信號(hào)的平均值，相當(dāng)于該信號(hào)的數(shù)字形態(tài)。7

3、二、速度環(huán)二、速度環(huán)功能圖功能圖8二、速度環(huán)二、速度環(huán)P/PI控制控制9三、位置環(huán)三、位置環(huán)功能圖功能圖10三、位置環(huán)三、位置環(huán)脈沖指令脈沖指令 我們通過(guò)Pn008選擇脈沖指令形態(tài)。Pn009的bit0、bit1被設(shè)定為0表示正邏輯（上升沿），為1表示負(fù)邏輯（下降沿）。11三、位置環(huán)三、位置環(huán)平滑功能平滑功能 平滑功能是對(duì)脈沖指令進(jìn)行加速度/減速度處理，在以下幾種情況下使用：1）上位機(jī)無(wú)加速度/減速度功能。2）脈沖指令頻率太低。3）電子齒輪比太高（超過(guò)10/1）。12三、位置環(huán)三、位置環(huán)前饋功能前饋功能 前饋功能縮短定位時(shí)間。前饋將使實(shí)際運(yùn)動(dòng)輪廓逼近指令運(yùn)動(dòng)輪廓。通常前饋增益Pn017設(shè)定在8

4、0%以下，對(duì)于大多數(shù)機(jī)械，設(shè)定超過(guò)80%將會(huì)引起振動(dòng)，使用前饋濾波Pn025 可以減小振動(dòng)。13三、位置環(huán)三、位置環(huán)偏置功能偏置功能 通過(guò)分配偏置（設(shè)定偏差脈沖）到速度指令輸出可以減小最終的定位時(shí)間。該功能將使實(shí)際運(yùn)動(dòng)輪廓逼近指令運(yùn)動(dòng)輪廓。14四、主回路四、主回路主電容充電主電容充電 在主電容充電中，我們看到一個(gè)繼電器，RLY1。使用這個(gè)繼電器是出于安全的目的。它保護(hù)這個(gè)電路并且限制上電時(shí)主電容C1的充電電流。15四、主回路四、主回路P-N電壓電壓 在DB1上的P-N電壓是供電電壓的有效值，即右圖中P點(diǎn)的電壓讀數(shù)是310V。V(RMS) = 220V * 1.41 = 310V16五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)

5、五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)的方法動(dòng)態(tài)制動(dòng)的方法 通過(guò)動(dòng)態(tài)制動(dòng)使電機(jī)突然停止的方法有兩種：1）通過(guò)短接電機(jī)U、V、W相的繞組；2）將轉(zhuǎn)子能量消耗到電阻上。17五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？ 第一種情況： 雙繼電器版本的EDB伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路使用一個(gè)繼電器造成電機(jī)繞組短路，從而使電機(jī)緊急停機(jī)。當(dāng)用在大功率伺服上時(shí)這種方法不是很安全。18五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？ 第二種情況： 1.5kW以下的EDB伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路雖然是通過(guò)一個(gè)繼電器動(dòng)作的，但實(shí)際上是用一個(gè)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻消耗電機(jī)轉(zhuǎn)子能量。這種方法使電機(jī)有一個(gè)較

6、長(zhǎng)的減速時(shí)間和平滑的停機(jī)。19五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？動(dòng)態(tài)制動(dòng)是如何發(fā)生的？ 第三種情況： 2kW以上的EDB伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路通過(guò)一個(gè)可控硅代替繼電器動(dòng)作，這是與1.5kW以下的伺服驅(qū)動(dòng)器唯一不同的地方。電機(jī)轉(zhuǎn)子能量也是消耗在動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻上。這種方法也使電機(jī)平滑的減速。20五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)何時(shí)發(fā)生？動(dòng)態(tài)制動(dòng)何時(shí)發(fā)生？Servo Off：動(dòng)態(tài)制動(dòng)打開(kāi)以保證安全。Servo On：動(dòng)態(tài)制動(dòng)關(guān)閉。伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入Servo Off狀態(tài)，當(dāng)：1）S-ON輸入信號(hào)關(guān)閉；2）超程；3）伺服報(bào)警發(fā)生；4）主電源關(guān)閉。當(dāng)以上事件發(fā)生時(shí)，我們能夠通過(guò)設(shè)定參數(shù)Pn004

7、指定電機(jī)如何停機(jī)。21五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)使用可控硅的動(dòng)態(tài)制動(dòng)使用可控硅的動(dòng)態(tài)制動(dòng) 2.0kW以上的伺服驅(qū)動(dòng)器都使用了可控硅觸發(fā)動(dòng)態(tài)制動(dòng)，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(dòng)器的動(dòng)態(tài)制動(dòng)功能也將關(guān)閉。而使用繼電器的伺服驅(qū)動(dòng)器，掉電或報(bào)警時(shí)保持動(dòng)態(tài)制動(dòng)狀態(tài)。22五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)五、動(dòng)態(tài)制動(dòng)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻 為了使動(dòng)態(tài)制動(dòng)電路工作，必須有一些消除電機(jī)轉(zhuǎn)子能量的途徑，這就是動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻的作用。這個(gè)電阻消耗了電機(jī)的能量，從而使電機(jī)快速停止成為可能。然而，有些伺服驅(qū)動(dòng)器（如雙繼電器版本）內(nèi)并沒(méi)有動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻，那是因?yàn)殡姍C(jī)繞組的阻抗已經(jīng)足夠用于制動(dòng)了。23六、再

8、生六、再生 再生是在電機(jī)減速過(guò)程中的一種動(dòng)作，此時(shí)電機(jī)等效為一個(gè)發(fā)電機(jī)。再生吸收了旋轉(zhuǎn)負(fù)載的動(dòng)能，并將它轉(zhuǎn)化為電能，回饋到驅(qū)動(dòng)器。24六、再生六、再生再生的目的再生的目的 再生有兩個(gè)主要功能：1）消耗運(yùn)動(dòng)負(fù)載的慣性能量；2）快速地對(duì)主電容（C1）放電。 當(dāng)一套EDB伺服系統(tǒng)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速并且?guī)е试S的最大負(fù)載慣量，EDB伺服驅(qū)動(dòng)器必須吸收停止負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的全部能量而不損壞系統(tǒng)。如果系統(tǒng)運(yùn)行在超過(guò)額定轉(zhuǎn)速或者帶著超過(guò)允許的最大負(fù)載慣量，那么必須有外部再生。 再生值依賴(lài)三個(gè)因素：轉(zhuǎn)矩、減速度和運(yùn)動(dòng)周期。這個(gè)值通常在選型軟件中計(jì)算并且顯示為電阻功率。然而，如果需要也可以手工計(jì)算。 當(dāng)再生電路中需要更大

9、的元器件時(shí)必須有外部再生。有時(shí)，在一些特殊應(yīng)用中C1或R1的功率不夠大，在這種情況下，就需要一個(gè)外部的電阻或電容作為內(nèi)部元器件的補(bǔ)充。25六、再生六、再生再生的目的再生的目的 EDC伺服驅(qū)動(dòng)器只有電容C1用于內(nèi)部再生。如果需要外部再生，則需要將外部再生單元接到驅(qū)動(dòng)器的P和N端子上。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)這類(lèi)的伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)將每一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的所有P端子連接在一起、所有N端子連接在一起，可能可以增加再生的容量。這相當(dāng)于將所有的C1并聯(lián)。但是這必須依賴(lài)于對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行周期的完整分析。 5.0kW以下的EDB伺服驅(qū)動(dòng)器都有內(nèi)部電阻R1和電容C1。如果需要外部再生，必須由技術(shù)服務(wù)人員將內(nèi)部R1去掉，并且在P和

10、B端子上外接電阻。26六、再生六、再生時(shí)序時(shí)序 在下面的例子中，假定有200V的電源連接到伺服驅(qū)動(dòng)器，并參考簡(jiǎn)單的再生電路示意圖。 一個(gè)正常的P-N母線電壓是283V（200*1.41），當(dāng)電機(jī)開(kāi)始減速時(shí)，回饋到驅(qū)動(dòng)器的能量開(kāi)始提升P-N電壓，一些或全部的能量被用于給電容C1充電。 然而，如果母線電壓超過(guò)380VDC，再生晶體管（TR1）就會(huì)打開(kāi)，能量就會(huì)消耗到電阻R1上，晶體管實(shí)際在380VDC到370VDC循環(huán)開(kāi)關(guān)。 帶負(fù)載的減速將需要幾個(gè)這樣的循環(huán)周期。當(dāng)有再生不足時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)壓報(bào)警（A13），表示母線電壓超過(guò)420VDC，或者發(fā)生再生異常報(bào)警（A16），表示TR1打開(kāi)時(shí)間太長(zhǎng)（一個(gè)

11、內(nèi)部寄存器專(zhuān)用于記錄TR1的開(kāi)/關(guān)時(shí)間）。 27六、再生六、再生時(shí)序時(shí)序 如果發(fā)生了A13和A16報(bào)警，我們需要改變?cè)偕娮鑂1的阻值。我們需要消耗更多的流過(guò)電阻的電流量，因?yàn)閂=I*R，我們能夠通過(guò)使用更小的阻值來(lái)增大流過(guò)電阻R1的電流量。增大電阻功率并不是正確的解決問(wèn)題的方法，因?yàn)榱鬟^(guò)電阻R1的電流量還是一樣的。 當(dāng)改變了電阻之后，我們需要檢查再生電路是否滿(mǎn)足更小阻值的要求。一旦減小了R1的阻值，就增大了流過(guò)它的電流，如果電流增加的太多，有可能超過(guò)電阻的額定功率，僅僅此時(shí)需要增大電阻的功率。 28六、再生六、再生再生的計(jì)算再生的計(jì)算電機(jī)產(chǎn)生的能量：電機(jī)產(chǎn)生的能量：En=0.5JM(2N/6

12、0)2電容消耗的能量：電容消耗的能量：Ec=0.5C（Vk2-Vr2） 電機(jī)繞組消耗的能量：電機(jī)繞組消耗的能量：Em= 3JMN(2Ir/60Tr)2*(Ra/td)負(fù)載消耗的能量：負(fù)載消耗的能量：EL=0.5TL(2Ntd/60)因?yàn)樗械哪芰恐捅仨殲橐驗(yàn)樗械哪芰恐捅仨殲?，所以我們能夠計(jì)算，所以我們能夠計(jì)算出電阻必須消耗的能量為出電阻必須消耗的能量為Er=En-Ec-Em-EL因此我們可以計(jì)算出再生電阻的功率為因此我們可以計(jì)算出再生電阻的功率為Wr=Er/Cycle 29六、再生六、再生再生的計(jì)算再生的計(jì)算 如果再生電阻的功率超過(guò)內(nèi)部電阻的額定功率，我們必須外加一個(gè)電阻以彌補(bǔ)這些差額

13、。 正如我們?cè)诠街锌吹降模姍C(jī)在停止負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的能量，負(fù)載、電容C1、電機(jī)繞組、電阻R1都參與了能量的消耗。注意伺服驅(qū)動(dòng)器不能應(yīng)用于連續(xù)再生模式。30七、伺服選型七、伺服選型 選型是一個(gè)針對(duì)給定應(yīng)用選擇電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程。如何挑選型是一個(gè)針對(duì)給定應(yīng)用選擇電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程。如何挑選一個(gè)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器，需要考慮速度、轉(zhuǎn)矩、慣量和再生電流等選一個(gè)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器，需要考慮速度、轉(zhuǎn)矩、慣量和再生電流等因素。因素。31七、伺服選型七、伺服選型速度速度/ /轉(zhuǎn)矩的波形轉(zhuǎn)矩的波形 大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于位置控制。下面是這些應(yīng)用中的三種。對(duì)于位置控制，速度和轉(zhuǎn)矩的波形是很類(lèi)似的。（速度波形下的面積就是距離）32七

14、、伺服選型七、伺服選型選型的檢查點(diǎn)選型的檢查點(diǎn)1）速度2）連續(xù)轉(zhuǎn)矩3）最大轉(zhuǎn)矩4）RMS轉(zhuǎn)矩5）負(fù)載慣量/電機(jī)慣量6）再生33七、伺服選型七、伺服選型速度檢查速度檢查 在大多數(shù)情況下，被驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)?shù)陀陔姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速。然而，在一些應(yīng)用中，我們可以超過(guò)額定轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速。通常，這是輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載的應(yīng)用。當(dāng)我們運(yùn)行電機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，我們必須知道驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。34七、伺服選型七、伺服選型連續(xù)轉(zhuǎn)矩連續(xù)轉(zhuǎn)矩 連續(xù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是當(dāng)我們運(yùn)行在不變的速度時(shí)帶載情況下的轉(zhuǎn)矩。這個(gè)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)不會(huì)超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。連續(xù)轉(zhuǎn)矩（TL） 額定轉(zhuǎn)矩（TR）35七、伺服選型七、伺服選

15、型最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩是一個(gè)應(yīng)用需要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩（峰值轉(zhuǎn)矩；TP）= 連續(xù)轉(zhuǎn)矩 + 加速轉(zhuǎn)矩。需要的最大轉(zhuǎn)矩必須小于最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩。36七、伺服選型七、伺服選型RMS轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 RMS（均方根）轉(zhuǎn)矩一定不能超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。它的公式是電機(jī)選型最重要的公式。注意電機(jī)的發(fā)熱情況依賴(lài)于工作循環(huán)和RMS轉(zhuǎn)矩。37七、伺服選型七、伺服選型允許的負(fù)載慣量允許的負(fù)載慣量 負(fù)載慣量JL應(yīng)當(dāng)總是大于電機(jī)慣量JM。允許的負(fù)載慣量依賴(lài)于使用的電機(jī)的再生和動(dòng)態(tài)制動(dòng)。對(duì)于小的伺服電機(jī)，允許的負(fù)載慣量是電機(jī)慣量的1030倍。對(duì)于大的伺服電機(jī)，允許的負(fù)載慣量降到電機(jī)慣量的5倍。38七、伺服選型七、伺服選型再生檢

16、查再生檢查 通常，在選型的時(shí)候不需要檢查再生。然而，有三種情況必須計(jì)算再生。如下：1）當(dāng)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速NL超過(guò)額定電機(jī)轉(zhuǎn)速NR。2）當(dāng)負(fù)載慣量JL超過(guò)它的允許值。3）當(dāng)應(yīng)用中有重力因素（垂直負(fù)載應(yīng)用）。39七、伺服選型七、伺服選型選型舉例選型舉例我們將按照下面的步驟為這個(gè)應(yīng)用選擇電機(jī)。我們將按照下面的步驟為這個(gè)應(yīng)用選擇電機(jī)。 1）計(jì)算慣量）計(jì)算慣量2）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩3）計(jì)算速度）計(jì)算速度4）計(jì)算加速度）計(jì)算加速度5）預(yù)估）預(yù)估6）計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩）計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩7）計(jì)算）計(jì)算RMS轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 40七、伺服選型七、伺服選型選型舉例：步驟選型舉例：步驟1 步驟1：計(jì)算慣量：為了計(jì)算此應(yīng)用的總慣

17、量。我們必須分別計(jì)算聯(lián)軸器、螺桿、負(fù)載的慣量，再把它們加在一起。41七、伺服選型七、伺服選型選型舉例：步驟選型舉例：步驟2 2 步驟2：計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩：我們使用下面的公式計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩。42七、伺服選型七、伺服選型選型舉例：步驟選型舉例：步驟3 3 步驟3：計(jì)算速度：為了計(jì)算電機(jī)的速度，我們使用下面的速度公式。 *這說(shuō)明我們需要一個(gè)電機(jī)，它的額定轉(zhuǎn)速至少為1000r/min。 為這個(gè)應(yīng)用，我們選擇EMH型130法蘭系列電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為2500r/min，這個(gè)速度足夠我們的應(yīng)用。43七、伺服選型七、伺服選型選型舉例：步驟選型舉例：步驟4 4 步驟4：計(jì)算加速度：為了計(jì)算加速時(shí)間，我們必須首先參考速

18、度曲線和考慮距離S。44七、伺服選型七、伺服選型選型舉例：步驟選型舉例：步驟5 5 步驟5：預(yù)估：現(xiàn)在我們必須為電機(jī)確定正確的額定功率。要確定這個(gè)值，有2個(gè)重要的因素，總的慣量和連續(xù)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)EMH電機(jī)的規(guī)格，我們預(yù)估如下： 我們總的慣量（Jtotal=JC+JS+JL）是34.3x10-4Kgm2，這個(gè)值不能超過(guò)電機(jī)慣量的5倍。如果超過(guò)了，我們可能會(huì)遇到過(guò)壓報(bào)警。因此，我們將選擇一個(gè)電機(jī)，它的慣量要超過(guò)我們總的慣量的1/5。EMH-05AP-D04電機(jī)的慣量是8.5x10-4 Kgm2，這個(gè)值的5倍是42.5x10-4 Kgm2，因?yàn)樗笥谖覀兛偟膽T量，所以滿(mǎn)足我們的預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)。然而，我們也必須確信這個(gè)電機(jī)有足夠的帶載轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樗念~定轉(zhuǎn)矩是4Nm，大于我們需要的1.56Nm，所以可以選它