伺服原理及應用

1、伺服原理及應用1第1頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一2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用速度控制 AC 伺服在收放卷設備上的應用轉矩控制 AC伺服在機床設備上的應用位置控制 伺服產(chǎn)品的安裝維護及相關報警 絕對位置控制系統(tǒng)原理簡介第2頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一31.1 AC伺服原理構成伺服機構的元件叫伺服元件。由驅動放大器（AC放大器），驅動電機（AC伺服驅動電機）和檢測器組成。第3頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一

2、41.2.1 伺服放大器主回路第4頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一5a 整流回路： 將交流轉變成直流，可分為單相和三相整流橋。 平滑電容：對整流電源進行平滑，減少其脈動成分。 c再生制動： 所謂再生制動就是指馬達的實際轉速高于指令速度時， 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 伺服放大器主回路第5頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一6 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

3、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： 生成適合馬達轉速的頻率、適合負載轉矩大小的電流，驅動馬達。 逆變模塊采用IGBT開關元件。 e 動態(tài)制動器： 具有在基極斷路時，在伺服馬達端子間加上適當?shù)碾娮杵鬟M行短路消耗旋轉能，使之迅速停轉的功能。1.2.1 伺服放大器主回路第6頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一71.2.2 伺服電機 轉矩特性三菱伺服電機屬于永磁同步電機。伺服電機的輸出轉矩與電流成正比其從低速到高速都可以以恒定轉矩運轉思考：伺服電機與普通三相異步電機的區(qū)別？連續(xù)運轉區(qū)域瞬時運轉區(qū)域第7頁，共65頁，2022年，5月20

4、日，15點59分，星期一81.2.2 伺服電機 編碼器種類和結構第8頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一91.3.1 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)第9頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一10位置控制處理流程1.3.1 伺服放大器控制回路 假設脈沖指令為1個脈沖，輸入時動作為： 偏差計數(shù)器成為+1 轉變?yōu)?個脈沖對應的電壓進入放大器 放大器產(chǎn)生SPWM波驅動馬達旋轉 編碼器也相應旋轉，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 結果使DA轉換輸出0V到放大器， 放大

5、器使馬達停止 完成1脈沖的定位第10頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一11 速度控制處理流程 模擬量形式的速度指令進入速度 運算器，使電機開始運行 電機運行后使用編碼器旋轉，發(fā)出 脈沖反饋 脈沖反饋經(jīng)過FV轉化為相應的模擬 量進入伺服驅動器 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第11頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一12 伺服放大器三種控制方式1 轉矩控制： 通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機 軸對外的輸出轉矩的大小，主要應用于需要嚴格控制轉 矩的場合。 電流環(huán)控

6、制2 速度控制： 通過模擬量的輸入或脈沖的頻率對轉動速度的控制。 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動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來 確定轉動的角度,所以一般應用于定位裝置 。 三環(huán)控制思考：三環(huán)中哪個環(huán)的響應性最快？1.3.1 伺服放大器控制回路第12頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一131.3.1 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） 機械的剛性（2）換算到電機軸的負載慣量（3）電機軸的振動（4）減速機構的打滑第13頁，共65頁，2022年，

7、5月20日，15點59分，星期一14按照定位指令裝置輸出的脈沖串，對工件進行定位控制。 伺服電機鎖定功能 當偏差計數(shù)器的輸出為零時，如果有外力使伺服電機轉動，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，旋轉修正電機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。 進行適合機械負荷的位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益調(diào)整。2.2 伺服的作用第14頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一153.1 三菱伺服產(chǎn)品介紹 MR-J3系列放大器型號構成MR-J3- 無 單相/3相200-230VAC 1 單相100-120VAC 4 三相400VAC A 通用

8、脈沖串接口B 兼容SSCNET III，高速串行總線T CC LINK連接內(nèi)置定位控制放大器容量（如10為100w） RJ004 兼容直線伺服電機 RJ006 兼容全閉環(huán)系統(tǒng) 第15頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一163.1 三菱伺服產(chǎn)品介紹 MR-J3系列伺服電機型號構成H-P HC-MP 超低慣量，小容量HC-KP 低慣量，小容量HC-SP 中慣量，中容量HC-RP 超低慣量，中容量HC-LP 低慣量，中大容量HC-UP 扁平型，中容量 額定輸出容量（kw）電機額定轉速（r/min） 無 無電磁制動 B 電磁制動無 無油封 J 油封 無 標準軸 K 帶鍵槽 D 帶

9、D型槽第16頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一17 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 選件第17頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一18伺服放大器各部分構造第18頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一19伺服放大器輸入電源電路第19頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一20顯示和操作第20頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一21實驗 試運行點動 通過試運行模式中的點動運行確認電機是否可以正常動作 操作方法： 按住up和do

10、wn鍵可使伺服電機旋轉松開，電機停止。通過伺服設置軟件可以修改轉速和加減速時間常數(shù)。第21頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一223.3 伺服設置軟件介紹設置選型編程軟件系統(tǒng)第22頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一233.3 伺服設置軟件介紹設置軟件 MR-Configurator setup221E通訊連接 1.1 通用接口 MR-J3-A 和 B系列更快的響應速度實時數(shù)據(jù)采集提高了20倍以上與運動控制器的連接 MR-J3-B只需一根線就可以連接所有伺服 USBmini-BUSB USB BUSB第23頁，共65頁，2022年，5月20日，15點

11、59分，星期一24相關操作： 通訊設置 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 伺服設置軟件介紹第24頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一253.3 伺服設置軟件介紹機械分析器更精確的機械性能 頻率范圍 10HZ1KHz 3HZ4.5KHz檢測能力得到很大提高 第25頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一263.3 伺服設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/機械特性確認 采集數(shù)據(jù) : 0.4ms x 30000點=12sec (J2S : 0.8ms x 1024點)第2

12、6頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一273.3 伺服設置軟件介紹速度 / 力矩曲線數(shù)據(jù)監(jiān)控 在操作模式中可以確認力矩余量速度 力矩 曲線監(jiān)控功能連続運転領域短時間運転領域實際運行曲線第27頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一283.4 容量選型軟件介紹選型軟件MOTSZ111E第28頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一293.4 容量選型軟件介紹機械設備傳動結構選擇放大器系列選擇伺服電機系列選擇連軸器與減速機構選擇運行曲線機械參數(shù)選型結果顯示計算結果曲線顯示計算過程第29頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期

13、一303.4 容量選型軟件介紹機械構成圖機械參數(shù)如選用MR-J3系列伺服，電機容量應選擇多少？ 工作臺質量WT200Kg負載重量WL50Kg負載推力Fc0.01N減速比1/n1負載慣量JL10.47kgc絲杠導程PB10mm絲杠直徑DB20mm絲杠長度LB1500mm最大運行速度V020000mm/min定位長度/回L400mm加減速時間ta0.157s定位完成時間t01.5s一次循環(huán)時間tf2.3s第30頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一314.1 AC伺服在傳送帶上的應用 控制方式：速度控制模式 控制特點：讓電機以參數(shù)中或者外部模擬量速度指令設定的轉動速 度高精度地

14、平穩(wěn)的運行。 精細 速度范圍寬 速度波動小第31頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一324.1 AC伺服在傳送帶上的應用第32頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一334.3 速度控制使用時的接線第33頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一344.4 實驗一: 多段速相關參數(shù)：PA01 控制模式（必需設定） PC01 加速時間常數(shù)（根據(jù)需要設定） PC02 減速時間常數(shù)（根據(jù)需要設定） PC03 S型加減速時間常數(shù)（根據(jù)需要設定） PC05PC11 內(nèi)部速度指令，設定內(nèi)部7段速（必須設定） PC37 模擬量速度指令偏置 PC12 模

15、擬速度指令最大轉動速度 問題：1. 使用軟件的趨勢圖功能監(jiān)控速度與轉矩曲線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， 應如何設置參數(shù)使電機保持停止？5. 要求10v電壓對應電機轉速為2000r/min，參數(shù)如何設置？加速時間1s減速時間0s第一段速度500r/min第二段速度800r/min第三段速度1200r/min多段速端子與速度關系表第34頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一354.4 實驗二: 速度模式下的轉矩限制作用：限制電機在運轉時的最大轉矩相關參數(shù)：PA

16、11正轉轉矩限制，設定最大轉矩限制=100%PA12反轉轉矩限制，設定最大轉矩限制=100%方法一：內(nèi)部參數(shù)設定方法二：外部模擬量給定問題：1.通過趨勢圖功能監(jiān)控對輸出轉矩進行限制后 轉矩速度曲線的變化？ 2.當外部模擬量轉矩限制和PA11/PA12 都有給定時，哪種方式有效？ 第35頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一365.1 AC 伺服在收放卷設備上的應用收放卷中張力控制的目的： 穩(wěn)定傳送材料，防止變形，確保尺寸精度等 張力控制基本結構：進給機構：將長尺寸的材料從左向右傳送放卷機構：為了保持一定的張力，需要隨著 卷徑的減少相應的減少制動扭矩收卷機構：為了保持一定的張

17、力，需要隨著 卷徑的增加相應的增加制動扭矩 F=T/R其中F為張力，T為電機輸出扭矩 R為卷徑。第36頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一37伺服系統(tǒng)張力控制原理： 張力控制即轉矩控制，當電機的輸出轉矩和負荷取得平衡時，電機轉速為平衡 速度。因此轉矩控制時的速度由負荷決定。如電機的輸出轉矩比電機負荷大， 電機將會加速。為了防止出現(xiàn)過速度，應設置速度限制值。 伺服系統(tǒng)中轉矩控制主要由電流控制環(huán)完成。 產(chǎn)生轉矩T為 T=K1* Ia 符號說明：T：轉矩 K1 ：常數(shù) ：磁通 Ia：電流 伺服系統(tǒng)在張力控制中的應用： 張力控制時，電機扭矩的選定是根據(jù)連續(xù)運轉扭矩，而非短時間最大

18、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，所以卷軸比（最大/最小卷徑的比率）變大時，需要相應大功率的電機。 5.1 AC 伺服在收放卷設備上的應用第37頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一385.2 AC 伺服的選型注：扭矩及轉速的允許使用范圍因各機種而不同，一般按照最低扭矩為額定扭矩1%以上，最低轉速為額定轉速1/100以上選取第38頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一395.3 使用時的接線第39頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一405.41 實驗一：缺省參數(shù)下轉矩模式實驗 要求： 電機輸出

19、扭矩為0.032NM，使用外部模擬量控制電機輸出轉矩，并監(jiān)控電機 當前轉矩和速度曲線 。電壓與轉矩關系圖如下 正轉啟動RS1和反轉啟動RS2決定的 轉矩輸出與方向關系如下： 相關參數(shù)：PA01： 控制模式PC01： 加速時間常數(shù)PC02： 減速時間常數(shù)第40頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一415.42 實驗二：轉矩模式下速度限制的應用 第一種方式： 內(nèi)部速度指令進行速度限制 相關參數(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的轉速。第二種方式： 外部模擬量進行速度限制 第一段速度800r/m

20、in第二段速度1200r/min第三段速度1600r/min第41頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一425.43 實驗三：轉矩指令偏置和增益設置實驗 增益調(diào)整：模擬轉矩指令最大輸出 相關參數(shù)：PC13（TLC） 要求模擬量信號8v對應為最大輸出轉矩的50%時，應如何設定參數(shù)？ 偏置調(diào)整： 相關指令：PC38（TPO）模擬轉矩指令偏置 如TC上施加0v電壓的狀態(tài)下，有0.03v的電壓，PC38的值應設置為正值還是 負值，設為多少？ 第42頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一436.1 AC 伺服在機床設備上的應用系統(tǒng)組成： 伺服驅動器，伺服驅動裝置（

21、伺服電機），位置檢測裝置（編碼器），機械傳動 機構，以及執(zhí)行部件等。 工作過程： 位置控制控制器伺服驅動器伺服馬達編碼器控制特點： 調(diào)速范圍寬，精度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應快，能頻繁啟停和正反運行。第43頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一446.2 AC伺服選型選型條件： 伺服電機在選型時需滿足以下： 電機最大轉速系統(tǒng)所需之最高移動轉速 電機的轉子慣量與負載慣量相匹配 電機的額定扭力連續(xù)負載工作扭力 電機最大輸出扭力系統(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 電機轉速N=fp*（CMX/CDV）*60/Pt 其中fp為指令脈

22、沖頻率，CMX/CDV為電子齒輪比，Pt為編碼器分辨率 負載扭矩計算第44頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一456.3 使用時的接線輸入輸出接線第45頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一466.3 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 差動驅動方式 第46頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一476.4.2 電子齒輪比的概念 齒輪比： 兩個直徑不同的齒輪結合在一起轉動，直徑大的齒輪轉速自然會比直徑小的齒輪轉慢一些，它們的轉速比例和齒輪直徑大小成

23、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)機械可以以任意倍率的輸入脈沖進行移動。第47頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一486.42 電子齒輪比的概念 電子齒輪比與指令脈沖的關系 Pc1=Pc*(CMX/CDV)電子齒輪比與脈沖頻率的關系 fc1=fc*( CMX/CDV)電子齒輪比的設定和機械系統(tǒng)的關系 lo=Pb/Pfo 又因為Pc0*（CMX/CDV）=Pf0 lc =Pb/Pc0=Pb/Pf0* (CMX/CDV)=lo* （CMX/CDV） 即lc = lo* （CMX/CDV）馬達速度與電子齒輪比的關系 CMX/CDV=f

24、c1/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：每個反饋脈沖的機械移動量（mm/pulse）Pf0：馬達每轉的反饋脈沖數(shù)（pulse/rev） lc：每個指令脈沖的機械位移量（mm/pulse）Pc0：馬達每轉的輸入脈沖數(shù)（pulse/rev） CMX：指令脈沖倍率分子 CDV：指令脈沖倍率分母第48頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一496.42 電子齒輪比的概念 練習1： 已知伺服電機的編碼器分辨率是

25、131072p/r，額定轉速為3000r/min，上位機 發(fā)送脈沖最大輸出頻率為200khz，要求達到額定轉速，那么電子齒輪比應設為多 少？ 練習2： 已知伺服電機編碼器分辨率為262144p/r，滾珠絲桿的進給量為8mm （1）計算反饋脈沖當量l0=？ （2）要求指令脈沖當量為2um/p,電子齒輪比應設為多少？ （3）要求電機的轉速為3000r/min，指令脈沖頻率應設為多少？是否適用于 FX2N-10GM的定位模塊（其最大脈沖輸出頻率為200khz） 第49頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一506.43 原點回歸使定位指令裝置的指令坐標與機械坐標一致的必須操作之一

26、增量型系統(tǒng)和絕對型系統(tǒng)原點回歸的不同： 增量型系統(tǒng)：在電源關閉時不保持當前位置，因而每次電源接通時必須進行 原點回歸。 絕對型系統(tǒng)：在安裝時若進行過原點回歸，即使關閉電源也可保持當前位置 在瞬停，報警，電源關閉之后的電源接通時，則不需要進行原 點回歸。 絕對型定位指令和增量型定位指令 絕對型指令：由以原點為基準的當前停止地址開始 移動方向，取決于當前停止地址與指定地址 增量型指令：由當前停止位置地址為基準 移動方向取決于移動量的符號（+/-符號） 第50頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一516.43 原點回歸原點回歸方法 典型的近點檔快式原點回歸： 第51頁，共65頁，

27、2022年，5月20日，15點59分，星期一526.44 位置/速度模式切換使用控制切換（LOP）進行位置模式和速度模式的切換 LOP和控制模式的關系如下： 切換要求：零速度下進行切換 注：比零速度高的速度下進行切換即使之后速度降為零了，也不能進行控制模式的切換。第52頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一537.11 從安裝到運轉的作業(yè)流程第53頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一547.12 伺服放大器及電機安裝放大器的安裝 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

28、負載率在75%下使用。 電機的安裝 應避免安裝在振動較大的地方，避免對電機軸進行敲擊，以免造成編碼器故障第54頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一557.2 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）機械停止位置 M當QP或者P* CMX/CDVC時，可能的原因有哪些？第55頁，共65頁，2022年，5月20日，15點59分，星期一567.2 常見錯誤和報警速度/轉矩控制模式下 正轉啟動或反轉啟動信號置on后，電機不旋轉 可能的原因如下：模擬量速度/轉矩指令為0v LSP/LSN信號為OFF 內(nèi)部速度指令參數(shù)設置為0 正轉/