サーボ基礎(chǔ)中文課件

動作控制伺服驅(qū)動基礎(chǔ)課程1１

伺服要點(diǎn)的復(fù)習(xí)

１.1

伺服的定義和構(gòu)成要素１.2伺服驅(qū)動的構(gòu)成１.3

伺服的性能評價目標(biāo):在學(xué)習(xí)Σ-Ⅱ相關(guān)知識前，首先復(fù)習(xí)伺服的基礎(chǔ)知識。

2

1.1伺服的定義和構(gòu)成要素

伺服的定義

伺服的構(gòu)成要素正確的伺服構(gòu)成以及伺服機(jī)械原理都是優(yōu)良自動控制的一部分。JIS就是物體的位置、方位、姿勢等的控制量。目標(biāo)值的任意變化構(gòu)成了控制系統(tǒng)。反饋回路（半閉式）目標(biāo)值發(fā)生裝置伺服驅(qū)動機(jī)械速度／位置輸出全閉位置環(huán)檢出器伺服電機(jī)3－－－＋＋1.2.1控制部的構(gòu)成速度控制部編碼器位置反饋＋電流反饋電流控制部位置控制部位置→速度變換速度反饋速度環(huán)位置環(huán)電流環(huán)位置指令電機(jī)環(huán)路是由位置控制部、速度控制部、電流控制部發(fā)出的指令→控制部→輸出→指令反饋所形成的閉合回路。電流回路在伺服器內(nèi)閉合，位置回路、速度回路向伺服驅(qū)動外輸出。5?數(shù)字伺服的位置決定指令輸入信號是脈沖列。位置決定量是脈沖數(shù)，位置決定速度是單位時間（秒）的脈沖量。（ＰＰＳ：Ｐｕｌｓｅ／Ｓｅｃｏｎｄ）?輸入的脈沖量與反饋的脈沖數(shù)量相一致時，這才完成了位置決定這一構(gòu)成。?在位置控制部中，因?yàn)橛休斎朊}沖的加算、反饋脈沖的減算，所以有一個計數(shù)器。

（也稱偏差計數(shù)器）1.2.2

位置控制部的構(gòu)成61.2.3

速度控制部的構(gòu)成速度控制部的構(gòu)成和積分器的運(yùn)作無積分器的話，必定有一個克服負(fù)荷摩擦的轉(zhuǎn)矩，必然存在指令值與當(dāng)前值的差，所以速度會達(dá)不到指令值。多早去追上指令，這個時間可通過伺服器內(nèi)部的時參數(shù)來設(shè)定，這個值依存于機(jī)械的剛性。時參數(shù)請參照后頁設(shè)定方法、剛性等后述象這樣比例控制（Proportional）和積分控制（Integral）的組合就稱為PI控制。像始動時那樣,盡可能使應(yīng)答遲緩減小的情況時,PI-I單純作為比例增幅器運(yùn)作。在正常運(yùn)行時,由于外亂轉(zhuǎn)矩等,PI-I作為積分器運(yùn)作.可對速度偏差進(jìn)行積分,實(shí)行修正控制.7ＸＹｉＫｉＹｉ＝Ｋｉ?∫ＸｄｔｔｔＹｉｘｙ1.2.5

積分動作（Ｉ動作）Ｘ?偏差變小、負(fù)荷動作越困難偏差微量存在，這個量就稱為殘留偏差（偏移）。?即使是小偏差,也可以積累成大的操作量。直到偏差成為0，負(fù)荷才可以運(yùn)作。T=0T=09ＸＹＰ－ｉＫＰＹｐ-i＝Ｋｐ?（Ｘ＋１／Ｔｒ?∫Ｘｄｔ）ｔｔＹＰ－ｉ1.2.6比例積分動作（Ｐ－Ｉ動作）Ｔｒ：積分時間Ｔ=0Ｔｒ?P動作與I動作并用。?Ｔｒ越短，動作表現(xiàn)越強(qiáng)。T=0ｘｙ10有關(guān)電流控制的性能評價電流環(huán)增益有關(guān)速度控制的性能評價速度環(huán)增益過渡應(yīng)答的速度環(huán)增益

頻率應(yīng)答的環(huán)增益

速度環(huán)積分時參數(shù)有關(guān)位置控制的性能評價

位置環(huán)增益位置決定整定時間位置決定精度1.3

伺服的性能評價評價伺服的應(yīng)答性（指令輸入后輸出的情況（電機(jī)如何轉(zhuǎn)動），使用回路增益這個用語。ゲイン就是GAIN，獲得和利益的意思。是輸入和輸出之比所解釋的技術(shù)術(shù)語，現(xiàn)在直接使用增益來表示。輸入A輸出B系統(tǒng)增益＝B/A111.3.2

有關(guān)速度控制的性能評價速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時參數(shù)影響速度控制的性能。速度環(huán)增益中又包括過度應(yīng)答的速度環(huán)增益和頻率應(yīng)答的速度環(huán)增益。關(guān)于速度控制的性能評價A-1)過度應(yīng)答的速度環(huán)增益A-2)頻率應(yīng)答的速度環(huán)增益A)速度回路增益B)速度回路積分時參數(shù)13②過度應(yīng)答速度環(huán)增益

輸入階梯狀的信號之后到輸出指令值到達(dá)63.2%的這一段時間稱為時參數(shù)，這個逆數(shù)稱為速度環(huán)增益。63.2％速度100％階梯狀的速度指令（輸入）實(shí)際的電機(jī)應(yīng)答（輸出）速度環(huán)增益Kv＝1／Tm（単位は1／ｓ）時間（ｓ）時參數(shù)Tm（ｓ）1.3.2-A）速度環(huán)增益14

A-2）所謂的頻率應(yīng)答特性速度環(huán)增益電機(jī)回轉(zhuǎn)速度伺服器電機(jī)速度指令輸入端子速度指令電壓電機(jī)回轉(zhuǎn)速度增益＝Eｏ／Ei位相遅れ＝Φ增益是（１／）＝－３ｄｂ的頻率稱為這個頻率的頻率特性ΣⅡ是４００ＨＺ1.3.2-A）速度環(huán)增益15時參數(shù)能對應(yīng)機(jī)械剛性進(jìn)行設(shè)定。時參數(shù)縮短，指令也一致縮短時間，如果不縮短，機(jī)械會發(fā)生振動。有必要設(shè)定適合的機(jī)械剛性。時間

→速度環(huán)增益和積分時參數(shù)之間有一定的關(guān)系.即使設(shè)定了最適的速度環(huán)增益速度時間積分時參數(shù)設(shè)定不良時1.3.2?B）

速度環(huán)積分時參數(shù)17＊位置環(huán)增益

?

位置環(huán)增益就是進(jìn)行位置決定的時候速度的應(yīng)答性。?

在數(shù)字伺服中，位置決定指令是以脈沖信號輸入的。

位置決定量就是脈沖量。位置決定速度就是單位時間（S）內(nèi)通過的脈沖數(shù)

（ＰＰＳ：Ｐｕｌｓｅ／Ｓｅｃｏｎｄ）。?

輸入的脈沖數(shù)和反饋的脈沖數(shù)一致時，才完成了位置決定過程。?在位置控制部，輸入脈沖的加算，反饋脈沖的減算，設(shè)置計數(shù)器（也稱偏差計數(shù)器）。1.3.3

位置環(huán)增益18速度指令の大きさで回転する。位置決定動作的實(shí)例

指令單位０．００１ｍｍ在２０的距離中以１０ｍｍ／ｓ進(jìn)行位置決定。位置決定脈沖數(shù)：２０，０００位置決定速度：１０，０００ＰＰＳε1.3.3

位置環(huán)增益（続き）192.1

用戶參數(shù)的定義和安裝用戶參數(shù)有兩個類型。選擇型＊由16個環(huán)節(jié)4行組成。

＊根據(jù)各行的設(shè)定，選擇機(jī)能。調(diào)整型

設(shè)定數(shù)值。用戶參數(shù)可通過∑WIN+軟件，數(shù)字操作器，面板操作器設(shè)定。

2-2212.2

用戶參數(shù)概要選擇型(Pn-000～003等)

?控制模式選擇(位置,速度,轉(zhuǎn)矩控制)?機(jī)能使用、不使用設(shè)定?報警時的伺服運(yùn)作選擇?電機(jī)回轉(zhuǎn)方向的設(shè)定?I/O信號的開斷（使用）／不使用（常時ON、OFF））調(diào)整型(Pn100等)

?各種增益?位置決定單位、速度、及轉(zhuǎn)矩指令信號?點(diǎn)動速度?有關(guān)轉(zhuǎn)矩速度的參數(shù)?連續(xù)參數(shù)以下是SGDM(SGDH)伺服用的二個類型的參數(shù)。222.2.1選擇型用戶參數(shù)的代表例分類設(shè)定値説明電機(jī)電機(jī)回轉(zhuǎn)方向設(shè)定Pn000的0桁

0以及１0:正轉(zhuǎn)1:逆轉(zhuǎn)控制模式選擇Pn000的1桁

0～B0:速度控制1:位置控制2:轉(zhuǎn)矩控制3:內(nèi)部設(shè)定速度選擇等伺服OFF時及報警發(fā)生時的停止法Pn001的0桁0?1以及2

0:以動態(tài)制動（DB）停止

1:以DB停止、在這之后DB解除2:自由運(yùn)行狀態(tài)停止超程時停止選擇Pn001的1桁0?１以及20:自由運(yùn)行停止１：減速停止后伺服振動2:減速停止后自由運(yùn)行狀態(tài)AC/DC電源輸入選擇Pn001的2桁0以及１0:AC電源輸入1:DC電源輸入警報代碼輸出Pn001的3桁0以及１0:只在端子AOL1,AOL2,AOL3輸出警告代碼1:故障代碼、警告代碼兩方面輸出Pn000Pn00123３

伺服增益的調(diào)整3.1增益的特性確認(rèn)3.2在線自動運(yùn)行3.3

手動運(yùn)行目標(biāo)：伺服增益特性的增益。

253.1

增益特性確認(rèn)1Kv=120,Kp=80Kv=120,Kp=120位置環(huán)增益的變更→整定時間變化COIN信號使用261)在線自動運(yùn)行

在伺服的運(yùn)行中測定負(fù)荷慣性的最大值,一定地保持以速度環(huán)增益或位置環(huán)增益為目標(biāo)的機(jī)能。２)自動運(yùn)行下的自動設(shè)定增益

①速度環(huán)增益Kv（Pn100）②速度環(huán)積分時參數(shù)Ti（Pn101）

③位置環(huán)增益Kp（Pn102）④轉(zhuǎn)矩指令濾波器時參數(shù)（Pn401）設(shè)定機(jī)械剛性以最初設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)作ＯＫ運(yùn)作ＯＫ手動調(diào)整保存結(jié)果ＪＬ變動設(shè)定常時自動運(yùn)行運(yùn)作ＯＫＹＥＳＮＯＮＯＹＥＳＮＯＹＥＳＮＯＹＥＳ3.2在線自動運(yùn)行293.3

手動運(yùn)行在手動運(yùn)行不能滿足應(yīng)答特性的情況、還可通過提前運(yùn)行、分別地對增益一個一個地進(jìn)行運(yùn)行。模擬指令增益的調(diào)整指令電壓偏移最小化速度環(huán)增益的調(diào)整積分時參數(shù)的調(diào)整位置環(huán)增益的調(diào)整位置關(guān)系提前運(yùn)行機(jī)能的調(diào)整僅位置控制的時候根據(jù)上位控制的指令輸出，進(jìn)行增益的調(diào)整。來自上位控制的指令輸出為0的時候，電機(jī)完全停止，調(diào)整偏置。即使手動運(yùn)行還不能滿足應(yīng)答特性的情況,提前運(yùn)行機(jī)能可適用,進(jìn)行調(diào)整。積分時參數(shù)長，位置環(huán)增益小。為了得到最適應(yīng)答性，調(diào)整速度環(huán)增益。直到無機(jī)械振動,將積分時參數(shù)進(jìn)行縮短調(diào)整。直到無機(jī)械振動,將位置環(huán)增益進(jìn)行擴(kuò)大調(diào)整。30根據(jù)不同的增益,學(xué)習(xí)如何改變應(yīng)答特性。Kv=40HZTi=20msTf=1msKv=85HZTi=10msTf=0.5msKv=160HZTi=6msTf=0.21ms由始動開始到達(dá)指令值指時間為8ｍｓ同5ｍｓ同3.7ｍｓ3.3

手動運(yùn)行31４電機(jī)的機(jī)種和容量的選定4.1選定公式的導(dǎo)入4.2為選定而討論的項(xiàng)目

選定講習(xí)4.34.4樣本讀取的方法

再生討論4.5目標(biāo)：

學(xué)習(xí)伺服電機(jī)(機(jī)種和容量)選型公式的要點(diǎn)。并且根據(jù)向本社用戶提供的電機(jī)選型軟件,進(jìn)行選型講習(xí)和再生討論.32400030001000200024680轉(zhuǎn)矩(Nm)速度(min-1)瞬時最大轉(zhuǎn)矩（瞬時究竟是多少秒？

參照下頁的符負(fù)荷特性）連續(xù)使用最大轉(zhuǎn)矩連續(xù)使用區(qū)域反復(fù)使用區(qū)域RMS轉(zhuǎn)矩在連續(xù)使用范圍內(nèi)的話、在過負(fù)荷特性容許時也可以使用（關(guān)于實(shí)效值以后敘述）安全使用區(qū)域RMS轉(zhuǎn)矩必須在這個區(qū)域里額定回轉(zhuǎn)速度（以額定速度運(yùn)行的電機(jī)回轉(zhuǎn)速度）SGMAH-08A失速轉(zhuǎn)矩速度為0時的轉(zhuǎn)矩50004.1樣本的讀取1A)轉(zhuǎn)矩-回轉(zhuǎn)速度特性33B)過負(fù)荷特性通電時間(s)100010010310.7100300200電機(jī)額定電流

(%)樣本的讀取2熱啟動冷啟動熱啟動：電機(jī)在熱飽和狀態(tài)使用的情況冷啟動：電機(jī)在充分冷卻時運(yùn)作的情況額定的多少倍（％）的電流、經(jīng)過幾秒流過。見右圖、冷啟動、2倍的額定電流在１０秒中流過讀取情況還是相當(dāng)良好。4.1344.2

選型公式的導(dǎo)入1工作臺：質(zhì)量ｍ（ｋｇ）移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機(jī)連軸器以及減速機(jī)（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機(jī)械效率η推力：Ｆ（Ｎ）下注摩擦系數(shù)μ滾珠絲杠：長度ＬＢ（ｍ）

導(dǎo)程ＰＢ（ｍ）

直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）得根據(jù)ＰＢ和ｖ的關(guān)系（４－１）由35工作臺：質(zhì)量ｍ（ｋｇ）移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機(jī)連軸器以及減速機(jī)（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機(jī)械效率η推力：Ｆ（Ｎ）下注摩擦系數(shù)μ滾珠絲杠：長度ＬＢ（ｍ）

導(dǎo)程ＰＢ（ｍ）直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）＊電機(jī)（回轉(zhuǎn)速度：NＭ（min-１））輸出的η倍就成為工作臺運(yùn)行的動力。這個時候電機(jī)轉(zhuǎn)矩TＬＴω＝Ｆｖ得＊另如果有那么下式也成立。注：所謂推力，就是金屬加工時與切削力反作用的力，它是外力施與工作臺的一個很重要的力。只是工作臺移動的情況時F=0。4.2

選型公式的導(dǎo)入2（４－２）（４－３）由36＊電機(jī)（回轉(zhuǎn)速度：NＭ（min-１））考慮到回轉(zhuǎn)運(yùn)動能可換算改變成直線運(yùn)動能、電機(jī)軸換算工作臺慣性力矩JＬ１（kg?ｍ２）可由下式導(dǎo)出。得以及4.2

選定公式導(dǎo)入3（４－４）（４－５）由37（ａ）滾軸絲杠的慣性力矩JＢ與質(zhì)量ＭＢ知曉的話，就導(dǎo)出下式。（ｂ）質(zhì)量ＭＢ不知曉的話，明白才智的密度就可導(dǎo)出下式。體積4.2

選型公式導(dǎo)入4（４－６）（４－７）38＊電機(jī)（回転速度：NＭ（min-１））的回轉(zhuǎn)能量可以看作滾軸絲杠的回轉(zhuǎn)能量、電機(jī)軸換算的滾軸絲杠的慣性力矩JＬ3

（kg?ｍ２）可由下式導(dǎo)出。另的話，可得（ｃ）滾軸絲杠的電機(jī)軸換算慣性力矩根據(jù)＊電機(jī)軸換算全負(fù)荷慣性力矩ＪＬ連軸器以及減速機(jī)的慣性力矩ＪＬ２、ＪＬ注：一般來說，由電機(jī)軸來看減速機(jī)的慣性力矩是減速機(jī)廠家定好的。不能給與連軸器的慣性力矩的，就用質(zhì)量、直徑以及材質(zhì)の密度直徑以及厚薄，利用公式算出滾軸絲杠的慣性力矩。4.2選定公式導(dǎo)入5得到39＊給與機(jī)械所要求的始動時間、制動時間，但究竟要給多少的始動轉(zhuǎn)矩、制動轉(zhuǎn)矩，由下式可以求得。NM始動時間ta回転速度min-1

時間ｓ角加速度ωαωα＝（２π/６０）N／ta始動時間tｄ①始動トルク（Tp（N?ｍ））＊根據(jù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的基本公式T=Jωα、

電機(jī)的慣性力矩JM、電機(jī)軸換算的全負(fù)荷慣性力矩JL、所要始動轉(zhuǎn)矩Tｐ、電機(jī)軸換算負(fù)荷轉(zhuǎn)矩TL（Tｐ－TL）是對加速有益的轉(zhuǎn)矩下式成立。得4.2

選型公式的導(dǎo)入6（４－８）由40＊制動時,負(fù)荷轉(zhuǎn)矩有下式的關(guān)系成立。②制動轉(zhuǎn)矩（Tｓ（N?ｍ））注：

這個式子的成立條件,電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(電流)飽和并且電機(jī)回轉(zhuǎn)速度接近額定速度?；剞D(zhuǎn)速度低的時候的始動時間隨著應(yīng)答性是由增益決定的.得NM始動時間ta回轉(zhuǎn)速度min-1

時間ｓ角加速度ωαωα＝（２π/６０）N／ta制動時間tｄ4.2

選定公式導(dǎo)入7（４－９）由414.3為選定所討論的項(xiàng)目實(shí)效值這個電流Ｉ稱為電流i1(t1）i2(t2)

i

3(t3)的實(shí)效值。1電阻RΩｔ1

ｔ（t1+t2+t3+t4）ｔ3ｔ4t２i1-i3ｉ２電阻R的電流器如下圖與電流流過時的發(fā)熱量相同,直流電I與發(fā)熱量Q的關(guān)系:Q＝ｉ１２Ｒｔ１＋ｉ２２Ｒｔ２＋（－ｉ３）２Ｒｔ３＝Ｉ２Ｒｔ在伺服器的情況下,轉(zhuǎn)矩與電流成正比關(guān)系,轉(zhuǎn)矩的實(shí)效值與電流實(shí)效值計算方法相同,這個值在額定轉(zhuǎn)矩以下的話,電機(jī)就會產(chǎn)生熱量。424.4

選定講習(xí)工作臺：質(zhì)量ｍ（ｋｇ）移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機(jī)連軸器以及減速機(jī)（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機(jī)械效率η推力：Ｆ（Ｎ）摩擦系數(shù)μ滾珠絲杠：長度ＬＢ（ｍ）

導(dǎo)程ＰＢ（ｍ）

直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）根據(jù)左圖的機(jī)械例,想定具體的值,進(jìn)行電機(jī)選定的講習(xí)。?工作臺質(zhì)量

m：50（kg）?工作臺移動所要求的推力

F：2（Ｎ）?工作臺臺面的摩擦系數(shù)μ：0.2?機(jī)械效率η：0.9?工作臺移動速度ｖ：12（m/min）?滾軸絲杠導(dǎo)程PB：6（mm）?滾軸絲杠長度LB：１（m）?滾軸絲杠直徑DB：25（mm）?滾軸絲杠材質(zhì)密度ρ：7.87（ｋｇ／ｍ３）?減速比１/R：1/2

（滾軸絲杠回轉(zhuǎn)速度／電機(jī)回轉(zhuǎn)速度）?連軸器以及ＪL２：0.45（kg?cm２）

減速機(jī)慣性力矩?1轉(zhuǎn)所行走的距離L：５0（mm）?１轉(zhuǎn)所需要的時間ｔ：1.0（ｓ）?５ｍｍ位置決定時間ｔｍ：0.3（ｓ）?停止時間ｔｅ：0.7（ｓ）43(a)速度線圖4.4

選定講習(xí)１回轉(zhuǎn)速度min-1

始動時間ta時間ｓ制動時間tａ位置決定時間tｂ＝0.3休止時間te＝0.7下一個回轉(zhuǎn)正常運(yùn)行速度運(yùn)行距離５０ｍｍNM機(jī)械性能如下圖速度曲線所示。(b)電機(jī)所要的回轉(zhuǎn)速度NM（min-1）電機(jī)的回轉(zhuǎn)速度在4,000min-1、就應(yīng)該選擇最高回転速度在4,000min-1以上的機(jī)種。這里選擇的是ＳＧＭＡＨ系列?；蛘呤褂贸^額定速度、連續(xù)轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩小的電機(jī)。根據(jù)（４－１）式44(c)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)矩ＴL（N?m）利用工作臺的電機(jī)軸換算負(fù)荷轉(zhuǎn)矩ＴLは（４－２）式求得。即使是使用（４－３）式,結(jié)果相同。4