伺服電機(jī)基礎(chǔ)

伺服電機(jī)基礎(chǔ)第1頁(yè)/共65頁(yè)什么是伺服馬達(dá)伺服馬達(dá)之定義：

伺服（Servo）源自于英文「Servant」或「Sleeve」，即指『馬達(dá)能夠依據(jù)命令、忠實(shí)的移動(dòng)』。通過檢測(cè)裝置、時(shí)時(shí)刻刻的監(jiān)督伺服馬達(dá)是否依照所輸入的指令移動(dòng)。伺服馬達(dá)之特長(zhǎng)：1.由于轉(zhuǎn)子慣量較小、可達(dá)成急加速、急減速、急停等要求。2.馬達(dá)小型化3.具備更精密的位置及速度控制功能。第2頁(yè)/共65頁(yè)伺服馬達(dá)之分類DC伺服馬達(dá)

AC伺服馬達(dá)1、線圈會(huì)旋轉(zhuǎn)2、定子為永久磁鐵3、有碳刷及整流子1、定子為線圈2、轉(zhuǎn)子為永久磁鐵3、無(wú)碳刷及整流子第3頁(yè)/共65頁(yè)DC伺服馬達(dá)與AC伺服馬達(dá)之比較

DC伺服馬達(dá)1、須定期保養(yǎng)2、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)較為容易3、使用壽命較短4、噪音較大5、響應(yīng)較差6、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定扭矩AC伺服馬達(dá)1、不須定期保養(yǎng)2、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜3、使用壽命長(zhǎng)4、噪音小5、響應(yīng)快6、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為三倍額定扭矩第4頁(yè)/共65頁(yè)伺服控制原理電源變流器平滑回路逆變器IM異步電機(jī)速度檢出器驅(qū)動(dòng)回路電壓/電流檢出回路速度檢出回路運(yùn)算回路保護(hù)回路運(yùn)轉(zhuǎn)命令控制回路A控制回路B主回路第5頁(yè)/共65頁(yè)伺服控制原理伺服馬達(dá)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的回授LOOP1、電流LOOP伺服馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)時(shí)由于負(fù)載的關(guān)系而產(chǎn)生扭矩的緣故，使得流進(jìn)馬達(dá)的電流增大，一旦流進(jìn)馬達(dá)的電流過大時(shí)會(huì)造成馬達(dá)燒毀的情形。為防止此一情形發(fā)生，在馬達(dá)的輸出位置加入電流感測(cè)裝置，當(dāng)馬達(dá)電流超過一定電流時(shí)，切斷伺服驅(qū)動(dòng)器以保護(hù)馬達(dá)。第6頁(yè)/共65頁(yè)伺服控制原理伺服馬達(dá)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的回授LOOP2、速度LOOP此LOOP是用來(lái)檢測(cè)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度是否依照指令旋轉(zhuǎn)之用，相對(duì)于控制裝置所提供之指令，速度LOOP控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。第7頁(yè)/共65頁(yè)伺服控制原理3、位置LOOP此LOOP是用來(lái)檢測(cè)由控制器所輸出位置控制指令之后，伺服馬達(dá)是否移動(dòng)至指令位置。相對(duì)于位置指令值，當(dāng)檢測(cè)值過大或過小時(shí)，控制伺服馬達(dá)移動(dòng)其誤差值的部份，達(dá)到定位之目的。第8頁(yè)/共65頁(yè)※依據(jù)不同的控制系統(tǒng)之需求，在驅(qū)動(dòng)器中有三種控制模式可供選擇速度控制位置控制扭矩控制第9頁(yè)/共65頁(yè)扭矩指令輸入范圍0～±10V【正電壓－＞CCW扭力】0～額定扭力扭矩控制依據(jù)輸入電壓的大小、達(dá)到控制馬達(dá)輸出扭力的目的。第10頁(yè)/共65頁(yè)扭矩控制扭矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。第11頁(yè)/共65頁(yè)速度控制速度指令輸入范圍0～±10V【正電壓－＞CCW回轉(zhuǎn)】0～額定轉(zhuǎn)速依據(jù)輸入電壓的大小、達(dá)到控制馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的目的。第12頁(yè)/共65頁(yè)速度模式通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。第13頁(yè)/共65頁(yè)位置控制位置指令輸入方式依據(jù)輸入的脈波數(shù)目、達(dá)到控制馬達(dá)定位的目的。CCW/CW脈沖列A/B相位脈沖列Pulse＋Dir第14頁(yè)/共65頁(yè)位置控制位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。第15頁(yè)/共65頁(yè)系統(tǒng)的構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)上位機(jī)人機(jī)界面第16頁(yè)/共65頁(yè)伺服系統(tǒng)的介紹按進(jìn)給伺服系統(tǒng)分類，控制系統(tǒng)的構(gòu)成可分為：開環(huán)回路控制半閉環(huán)回路控制全閉環(huán)回路控制第17頁(yè)/共65頁(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成（1/3）

◎開環(huán)回路控制（OPENLOOP）由控制器輸出指令訊號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)依指令值位移并且停止在所指定的位置?？刂蒲b置驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)第18頁(yè)/共65頁(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成（2/3）◎半閉環(huán)回路控制（SEMI-CLOSELOOP）將位置或速度檢出器，裝置于馬達(dá)軸上以取得位置回授信號(hào)及速度回授信號(hào)。控制裝置驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)位置檢出器第19頁(yè)/共65頁(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成（3/3）◎全閉環(huán)回路控制（FULL-CLOSELOOP）利用光學(xué)尺等位置檢出器，直接將物體的位移量隨時(shí)的回授到控制系統(tǒng)?？刂蒲b置驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)位置檢出器（光學(xué)尺）回授信號(hào)第20頁(yè)/共65頁(yè)（CNC）（伺服放大器）（伺服電動(dòng)機(jī)）（變頻器）（旋轉(zhuǎn)編碼器）（機(jī)床操作盒）（手持操作盒）（分線盒I/O模組）（RS232）第21頁(yè)/共65頁(yè)

松下伺服驅(qū)動(dòng)器第22頁(yè)/共65頁(yè)第23頁(yè)/共65頁(yè)松下伺服電機(jī)的基本接線第24頁(yè)/共65頁(yè)

品種齊全功率到

5kW30Wto5.0kW電機(jī)輸出功率（kw）速度（額定/最大）rpm超小慣量MAMA0.1~0.755000/6000小慣量MSMD0.05~0.753000/5000MQMA0.1~0.43000/5000MSMA1.0~5.03000/5000中慣量MDMA0.75~5.02000/3000MGMA0.9~4.51000/2000MFMA0.4~4.52000/3000大慣量MHMD0.2~0.753000/5000MHMA0.5~5.02000/3000第25頁(yè)/共65頁(yè)A4系列伺服電機(jī)1.50W～5KW2.馬達(dá)慣量超低慣量低慣量中慣量高慣量3.智能化的自動(dòng)調(diào)整高性能的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益4.高速高響應(yīng)速度響應(yīng)頻率最高可達(dá)1KHz高性能的機(jī)械適應(yīng)性5.超低振動(dòng)自適應(yīng)濾波器兩個(gè)陷波濾波器振動(dòng)抑制控制6.編碼器普通型：2500p/r增量式編碼器高精度型：17位型（217）增量式編碼器特殊型：17位型（217）絕對(duì)式編碼器第26頁(yè)/共65頁(yè)E系列伺服電機(jī)1.50W～400W2.馬達(dá)慣量:

超低慣量3.智能化的自動(dòng)調(diào)整高性能的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益4.高速高響應(yīng)速度響應(yīng)頻率最高可達(dá)400Hz高性能的機(jī)械適應(yīng)性5.超低振動(dòng)自適應(yīng)濾波器兩個(gè)陷波濾波器振動(dòng)抑制控制6.編碼器普通型：

2500p/r增量式編碼器7.體積小體積只有同類產(chǎn)品的1/4

第27頁(yè)/共65頁(yè)S系列伺服電機(jī)1.30W～750W2.馬達(dá)慣量:

超低慣量3.智能化的自動(dòng)調(diào)整高性能的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益4.高速高響應(yīng)速度響應(yīng)頻率最高可達(dá)400Hz高性能的機(jī)械適應(yīng)性5.編碼器普通型：2500p/r增量式編碼器

第28頁(yè)/共65頁(yè)A4伺服型號(hào)說明第29頁(yè)/共65頁(yè)A4伺服型號(hào)說明第30頁(yè)/共65頁(yè)東元伺服型號(hào)說明伺服驅(qū)動(dòng)器第31頁(yè)/共65頁(yè)東元伺服型號(hào)說明伺服馬達(dá)第32頁(yè)/共65頁(yè)第33頁(yè)/共65頁(yè)前面板的使用方法第34頁(yè)/共65頁(yè)客戶需求分析要點(diǎn)如何了解客戶需求,即我們需要掌握那些要點(diǎn)才能使我們能夠?yàn)榭蛻籼峁?zhǔn)確的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)?1.軸控?cái)?shù)2.軸功率,扭力計(jì)算所需參數(shù)3.系統(tǒng)精度與速度要求4.功能要求一般的功能要求包含:

參數(shù)設(shè)置狀態(tài)監(jiān)控顯示要求第35頁(yè)/共65頁(yè)需求分析要點(diǎn)5.馬達(dá)慣量,轉(zhuǎn)速,變比(了解傳動(dòng)元件,如絲桿,同步帶之變比)6.輸入輸出點(diǎn)數(shù)量,類型,模擬量要特別關(guān)注.7.同步要求8.動(dòng)作過程的描述第36頁(yè)/共65頁(yè)如何選定伺服馬達(dá)（1∕3）馬達(dá)選用考慮因素1、負(fù)載機(jī)構(gòu)2、動(dòng)作模式3、負(fù)載速度4、定位精度5、使用環(huán)境馬達(dá)選用的規(guī)格1、馬達(dá)容量（W）2、馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速（rpm）3、額定扭矩及最大扭矩（N?m）4、轉(zhuǎn)子慣量（kg?㎡）5、是否需要煞車（制動(dòng)器）6、體積、重量、尺寸第37頁(yè)/共65頁(yè)如何選定伺服馬達(dá)（2∕3）減速機(jī)構(gòu)的影響1、轉(zhuǎn)速：NM=Nt×R2、扭力：TL=T?×（1÷R）3、慣量（GD2）：GD2L=GD2L×（1÷R）2第38頁(yè)/共65頁(yè)如何選定伺服馬達(dá)（3∕3）1、負(fù)載扭力◎加速扭力≦馬達(dá)最大扭力◎連續(xù)實(shí)效負(fù)載扭力≦馬達(dá)額定扭力◎消耗回生電力＜驅(qū)動(dòng)器內(nèi)回生容量◎負(fù)載扭力＜馬達(dá)額定扭力2、負(fù)載慣性矩＜3～5倍馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣性矩3、最大移動(dòng)速度＜馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速4、負(fù)載率在85﹪以下5、馬達(dá)的扭矩特性第39頁(yè)/共65頁(yè)編碼器選用假設(shè)PE=2500(p/rev)絲桿導(dǎo)距PB=20mm減速比R=1

則機(jī)械位置解析度(Resolution)

=(PB．(1/R))/(PE．4)

=0.002(mm)

<機(jī)械定位精度±0.05(mm)第40頁(yè)/共65頁(yè)收益高精度；大調(diào)速范圍；快速響應(yīng)---提高設(shè)備的運(yùn)行速度；我們可以認(rèn)為：伺服技術(shù)應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)備的整體性能得到了大幅度的提高；第41頁(yè)/共65頁(yè)交流伺服電機(jī)與變頻電機(jī)的區(qū)別變頻電機(jī)伺服電機(jī)低頻啟動(dòng)力矩小大速度范圍低（一般在3000RPM一下，大于3000RPM時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)的特殊設(shè)計(jì)）高（可達(dá)5000RPM），直流伺服電機(jī)更可達(dá)1~2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分控制方式一般為開環(huán)多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式精度低高過載特性低可3~10倍過載(短時(shí))轉(zhuǎn)矩控制原理上不可能適用，可控制靜止轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性低高加減速特性差好溫升高低響應(yīng)速度一般高價(jià)格低高第42頁(yè)/共65頁(yè)交流伺服與步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)選型比較步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)伺服電機(jī)系統(tǒng)力矩范圍中小力矩（一般在20Nm一下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM一下，大力矩電機(jī)小于1000RPM）高（可達(dá)5000RPM），直流伺服電機(jī)更可達(dá)1~2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式平滑性低速時(shí)有振動(dòng)（但用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器則可明顯改善）好，運(yùn)行平滑精度一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時(shí)，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時(shí)會(huì)失步可3~10倍過載(短時(shí))反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型無(wú)光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對(duì)值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)速度一般快耐振動(dòng)好一般（旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動(dòng)）溫升運(yùn)行溫度高一般維護(hù)性基本可以維護(hù)較好價(jià)格低較高第43頁(yè)/共65頁(yè)什么地方需要伺服？按照應(yīng)用分：在傳動(dòng)控制中需要對(duì)速度與位置進(jìn)行高精度控制，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求比較高的環(huán)境；按照行業(yè)分：數(shù)控、印刷、包裝機(jī)械這三個(gè)行業(yè)是主要的應(yīng)用；第44頁(yè)/共65頁(yè)伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域加工機(jī)械FA機(jī)械醫(yī)療機(jī)械機(jī)器人自動(dòng)組裝機(jī)半導(dǎo)體制造部件組裝紡織機(jī)械加工中心銑床車床磨床數(shù)控機(jī)床食品加工食品包裝自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)機(jī)械印刷機(jī)械擠壓成型機(jī)CT設(shè)備人造器官弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人噴涂機(jī)器人繞線機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線晶片機(jī)械清洗設(shè)備CVI（化學(xué)氣相沉積）設(shè)備芯片安裝插裝機(jī)焊接機(jī)編織機(jī)紡織設(shè)備第45頁(yè)/共65頁(yè)伺服電機(jī)的運(yùn)用實(shí)例簡(jiǎn)易數(shù)控車床車削加工中心第46頁(yè)/共65頁(yè)立式加工中心臥式加工中心精密型臥式銑鏜加工中心第47頁(yè)/共65頁(yè)具體應(yīng)用切割機(jī)MSMA400W1軸MHMA1.0KW1軸步進(jìn)馬達(dá)

3軸直驅(qū)伺服馬達(dá)

1軸主軸馬達(dá)

1軸７軸第48頁(yè)/共65頁(yè)打孔機(jī)X軸MDMA2.5kW1臺(tái)

Y軸MGMA4.5kW1