PLC課件：伺服電機(jī)控制技術(shù)

了解伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理、運(yùn)行特性及其特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合，以求正確選用和使用它們。目的伺服電動(dòng)機(jī)也稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動(dòng)控制對(duì)象。1概述1、交流伺服電動(dòng)機(jī)2、直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)分為：1.1什么叫伺服電機(jī)1概述

在有控制信號(hào)輸入時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)；沒(méi)有控制信號(hào)輸入，它就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。改變控制電壓的大小和相位(或極性)就可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。1.2伺服電機(jī)最大特點(diǎn)1概述1.3伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn)(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)轉(zhuǎn)子的慣性小，即能實(shí)現(xiàn)迅速啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)。(3)控制功率小，過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性好。1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家1概述德國(guó)西門子，產(chǎn)品外形有：伺服電機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1概述美國(guó)科爾摩根，產(chǎn)品外形有：伺服電機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家1概述日本松下及安川，產(chǎn)品外形有：松下交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器安川伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理交流伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器交流伺服電機(jī)器2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理2.1結(jié)構(gòu)交流電機(jī)編碼器交流電機(jī)電源線編碼器信號(hào)輸出線2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理1.2.1結(jié)構(gòu)交流電機(jī)減速齒輪機(jī)械負(fù)載軸2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理2.1結(jié)構(gòu)

由定子和轉(zhuǎn)子二大部分組成

1、定子由鐵心和線圈組成勵(lì)磁繞組控制繞組勵(lì)磁電壓控制電壓轉(zhuǎn)子定子殼體(1)籠型轉(zhuǎn)子

鐵芯槽內(nèi)放銅條,端部用短路環(huán)形成一體,

或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理鑄鋁的籠型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子殼體2、

轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子(2)杯型轉(zhuǎn)子綱薄壁園筒形，放于內(nèi)外定子之間。一般壁厚為0.3mm2伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理杯型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子殼體3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析

為了分析方便，先假定勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Uf與控制繞組有效匝數(shù)UC相等。這種在空間上互差900電角度，有效匝數(shù)又相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組。3.1伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生電氣原理圖控制繞組勵(lì)磁繞組3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析

同時(shí)，又假定通入勵(lì)磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，這樣的兩個(gè)電流稱為兩相對(duì)稱電流，用數(shù)學(xué)式表示為3.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生控制繞組勵(lì)磁繞組當(dāng)兩相對(duì)稱電流通入兩相對(duì)稱繞組時(shí)，在電機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電流變化一個(gè)周期時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間轉(zhuǎn)了一圈。UC1UC2UF1UF23.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生3.2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向控制繞組勵(lì)磁繞組控制繞組勵(lì)磁繞組3.2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向3.3伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于定子繞組極對(duì)數(shù)和電源的頻率。圖所表示的是一臺(tái)兩極的電機(jī)，即極對(duì)數(shù)P＝1。對(duì)兩極電機(jī)而言，電流每變化一個(gè)周期，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一圈，因而當(dāng)電源頻率f＝400Hs，即每秒變化400個(gè)周期時(shí)，磁場(chǎng)每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈，故對(duì)兩極電機(jī)，即P＝1而言，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為

n0=24000r／min旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為的一般表達(dá)式為4.伺服電機(jī)的機(jī)械特性及控制方式4.1伺服電機(jī)的機(jī)械特性4.3伺服電機(jī)控制方式及特性

設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL，控制電壓0.25UC時(shí),電機(jī)在特性點(diǎn)A運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為na，這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)控制電壓升高到0.5UC時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就隨之增加C，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子及其負(fù)載存在著慣性，轉(zhuǎn)速不能瞬時(shí)改變，因此電機(jī)就要瞬時(shí)地在特性點(diǎn)C運(yùn)行，這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就加速，一直增加到nb，電機(jī)就在B點(diǎn)運(yùn)行。伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性ABC結(jié)論：改變控制電壓的大小，就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制5交流伺服電機(jī)的應(yīng)用編碼器部分

安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。5V5V0V0V伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。5.1伺服電機(jī)編碼器編碼器5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、主要功能（1）根據(jù)給定信號(hào)輸出與此成正比的控制電壓UC；（2）接收編碼器的速度和位置信號(hào)；（3）I/O信號(hào)接口5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼顯示窗口參數(shù)設(shè)置鍵計(jì)算機(jī)RS232口I/O信號(hào)接口編碼器信號(hào)接口電機(jī)電源輸入輸出接線端子2、外部組成5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3、控制模式（1）位置控制模式——最大輸入脈沖頻率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于開(kāi)路收集器）（2）速度控制模式——模擬速度指令輸入：0～±10V/額定轉(zhuǎn)速（3）力矩控制模式——模擬力矩指令輸入：0～±10V/最大力矩5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MREA/D功率放大器序列控制器誤差檢出門激勵(lì)8888888操作人員接口參數(shù)控制EEPROM保護(hù)電路A/D位置誤差計(jì)數(shù)器放大器速度誤差放大器速度檢出內(nèi)速度指令轉(zhuǎn)矩限位電流控制PWM電路處理編碼器信號(hào)位置/速度速度轉(zhuǎn)矩位置內(nèi)外16位報(bào)警信號(hào)脈沖指令速度指令轉(zhuǎn)矩指令脈沖輸出LED面板B1B2PtrL1L2L3+5V+/-12V門激勵(lì)電源編碼器電源4、原理框圖5.3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用圖2-2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接AC220V

I/O板5.3.1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PC機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器I/O電路驅(qū)動(dòng)器電機(jī)Pulse0/1P9-0/2CNSIG控制電壓編碼器反饋信號(hào)軸號(hào)0/1數(shù)據(jù)信號(hào)使能信號(hào)DO21/22速度信號(hào)DAC0/15.3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用5.3.1交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、設(shè)置參數(shù)方法一聯(lián)接計(jì)算機(jī)使用軟件設(shè)置方法二直接在驅(qū)動(dòng)器面板按鈕設(shè)置5.3.2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)使用方法一、使用計(jì)算機(jī)設(shè)置參數(shù)1、啟動(dòng)軟件2、修改參數(shù)NO.19=000E(允許參數(shù)改寫)3、修改參數(shù)O.41=0001（內(nèi)部使能）4、正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行1、設(shè)置參數(shù)1、啟動(dòng)軟件2、進(jìn)入TEST功能，使用JOG模式調(diào)試系統(tǒng)3、正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行2、使用計(jì)算機(jī)調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng)1、啟動(dòng)軟件將參數(shù)NO.41=0000,改為外部使能，然后關(guān)閉軟件2、接通電源—顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確。3、按MODE鍵，顯示rd-of3、使用驅(qū)動(dòng)器操作面板手動(dòng)調(diào)試伺服電機(jī)系統(tǒng)4、按UP鍵多次直至顯示TEST15、按住SET直至顯示窗顯示D-01并閃爍6、按UP正轉(zhuǎn)，按DOWN反轉(zhuǎn)1、接通電源—顯示窗口顯示數(shù)字為設(shè)備連接正確。

如：設(shè)置參數(shù)NO193、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示P194、按SET鍵，顯示窗顯示00005、按SET鍵，顯示窗0000閃爍2、按MODE鍵多次，直至顯示數(shù)P006、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示000E7、按SET鍵，再次通電。設(shè)置生效。3、使用驅(qū)動(dòng)器操作面板手動(dòng)設(shè)置參數(shù)的方法1.6.1

功率的選擇

功率選得過(guò)大不經(jīng)濟(jì)，功率選得過(guò)小電動(dòng)機(jī)容易因過(guò)載而損壞。1.對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的伺服電動(dòng)機(jī)，所選功率應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械的功率。2.對(duì)于短時(shí)工作的伺服電動(dòng)機(jī)，允許在運(yùn)行中有短暫的過(guò)載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機(jī)械的功率。6.伺服電機(jī)的選擇6.1

種類和型式的選擇1.種類的選擇

一般自動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機(jī)。調(diào)速和控制精度很高的場(chǎng)合選用直流伺服電機(jī)或其他專用的控制電機(jī),如直線電機(jī)等。2.結(jié)構(gòu)型式的選擇

根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如頻繁啟停選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)；如速度要求較平衡的場(chǎng)合選用大慣量伺服電機(jī)6.2

主要性能指標(biāo)的選擇

1．空載始動(dòng)電壓UCO在額定勵(lì)磁電壓和空載的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開(kāi)始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小控制電壓定義為空載始動(dòng)電壓。用通過(guò)以額定控制電壓的百分比來(lái)表示。UCO

越小，表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度越高。一般UCO要求不大于額定控制電壓的3%～4％，使用于精密儀器儀表中的兩相伺服電動(dòng)機(jī)，有時(shí)要求不大于額定控制電壓的1％。6.2主要性能指標(biāo)的選擇

2．機(jī)械特性非線性度Km

在額定勵(lì)磁電壓下，任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械待性與線性機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩T＝Td／2時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差△n與空載轉(zhuǎn)速n0(對(duì)稱狀態(tài)時(shí))之比的百分?jǐn)?shù)，定義為機(jī)械待性非線性度。一般要求Km≤10％～

20％6.2主要性能指標(biāo)的選擇

3．調(diào)節(jié)特性非線性度Kv

在額定勵(lì)隘電壓和空載情況下，當(dāng)控制電壓<0.7時(shí)，實(shí)際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差△n與控制電壓＝1時(shí)的空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)定義為調(diào)節(jié)特性非線性度，即:一般要求Kv≤20％～

25％6.2主要性能指標(biāo)的選擇

4．堵轉(zhuǎn)特性非線性度kd

在額定勵(lì)磁電壓下，實(shí)際堵轉(zhuǎn)特性與線性堵轉(zhuǎn)持性的最大轉(zhuǎn)矩偏差(△Tdn)max與控制電壓＝1時(shí)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tdo之比值的百分?jǐn)?shù)，定義為堵轉(zhuǎn)待性非線性，即

以上這幾種持性的非線性度越小，特性曲線越接近直線，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差就越小，工作就越準(zhǔn)確。一般要求

Kd≤±5％

6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇

1．電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵(lì)磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵(lì)磁電壓允許變動(dòng)范圍為土5％左右。電壓太高，電機(jī)會(huì)發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會(huì)明顯下降，加速時(shí)間增長(zhǎng)等。伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，應(yīng)注意到勵(lì)磁繞組兩端電壓會(huì)高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其值如果超過(guò)額定值太多，會(huì)使電機(jī)過(guò)熱。控制繞組的額定電壓有時(shí)也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個(gè)電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇2．頻率目前控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為50HZ(或60HZ)，中頻為400HZ(或500HZ)。因?yàn)轭l率越高，渦流損耗越大，所以中頻電機(jī)的鐵心用較薄的(0.2mm以下)硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機(jī)則用0.35～0.5mm的硅鋼片。低頻電機(jī)不應(yīng)該用中頻電源，中頻電機(jī)也不應(yīng)該用低頻電源，否則電機(jī)性能會(huì)變差。

在不得已時(shí)，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機(jī)發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺(tái)500Hz、110V的電機(jī)，如果用在400Hz時(shí)，那末加到電機(jī)上的電壓就應(yīng)改成110×400／500＝88V。6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇

3．堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)電流定子兩相繞組加上額定電壓，轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這時(shí)流經(jīng)勵(lì)磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉(zhuǎn)勵(lì)磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流。堵轉(zhuǎn)電流通常是電流的最大值，可作為設(shè)計(jì)電源和放大器的依據(jù)。6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇4．空載轉(zhuǎn)速定干兩相繞組加上額定電壓，電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為空載轉(zhuǎn)速n0。空載轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)有關(guān)。由于電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的影響，空載轉(zhuǎn)速略低于同步速。6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇5．額定輸出功率當(dāng)電機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，輸出功率P2隨轉(zhuǎn)速n變化的情況如圖78所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速n0的一半時(shí)，輸出功率最大。通常就把這點(diǎn)規(guī)定為交流伺服電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)。對(duì)應(yīng)這個(gè)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)矩Tn。和額定轉(zhuǎn)速nn。n0nT0nnT最大功率額定轉(zhuǎn)矩TN額定轉(zhuǎn)矩TN小結(jié)1交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。在介紹工作原理時(shí)，引出了圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的概念。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速