伺服电机控制技术

1 1、交流伺服电动机交流伺服电动机2 2、直流伺服电动机直流伺服电动机 在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位大小和相位( (或极性或极性) )就可改变伺服电动机的转速和就可改变伺服电动机的转速和转向。转向。1.21.2伺服电机最大特点伺服电机最大特点(1)(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。压改变，能在宽广的范围内连续调节。(2)(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。控制功率小，过载能力强，可靠性好。1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用伺服电机在自控制系统中的典型应用其它场合的应用其它场合的应用伺服电机伺服电机伺服电机驱动器伺服电机驱动器伺服电机伺服电机伺服电机驱动器伺服电机驱动器松下交流伺服电机及驱动器松下交流伺服电机及驱动器安川伺服电机驱动器安川伺服电机驱动器交流伺服电机系统交流伺服电机系统驱动器驱动器交流伺服交流伺服电机器电机器2.12.1 结构结构交流电机交流电机编码器编码器交流电机交流电机电源线电源线编码器信编码器信号输出线号输出线1.2.11.2.1 结构结构交流电机交流电机减速齿轮减速齿轮机械负载轴机械负载轴励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组励磁电压励磁电压控制电压控制电压转转子子定子定子壳体壳体转转子子定定子子壳壳体体电气原理图电气原理图控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组控制绕组与励磁控制绕组与励磁绕组相差绕组相差900 (1) 转子转子 铁芯槽内放铜条铁芯槽内放铜条,端端 部用短路环形成一体部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。铸铝的笼型转子铸铝的笼型转子转转子子定子定子壳体壳体 2、 转子转子笼型转子笼型转子 (2) 杯杯转子纲转子纲 薄壁园筒形，放于内外定薄壁园筒形，放于内外定子之间子之间。一般壁厚为。一般壁厚为0.3mm杯型转子杯型转子转转子子定子定子壳体壳体 2.2 2.2 转动原理转动原理 2.2 2.2 转动原理转动原理 2.2 2.2 转动原理转动原理 当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以顺时纠方向以n n0 0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S S极下导条的极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力相互作用产生电磁力，这个电磁力F F作用在转子上，并对转轴形作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。顺着磁铁旋转的方向转动起来。电气原理图电气原理图控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组 cfmfmc90sinsinIitIitIi 控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组当两相对称电流通入两相对称绕组时当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋在电机内就产生一个旋转磁场转磁场。当电流变化一个周期时当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈旋转磁场在空间转了一圈。UC1UC2UF1UF2控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组 旋转磁场的转速决定于定子绕组旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率极对数和电源的频率。图所表。图所表示的是一台两极的电机，即极对数示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率电源频率f400 Hs，即每秒变化，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当个周期时，磁场每秒应当转转400圈，故对两极电机，即圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为而言，旋转磁场转速为 n0= 24000 rmin旋转磁场转速为的一般表达式为旋转磁场转速为的一般表达式为min)/(60)/(0rpfsrpfn 对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC0，这时，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁NS和和NS在空间以相反方向旋转。在空间以相反方向旋转。当电阻已增大到使临界转差率当电阻已增大到使临界转差率1 1的程度时，合成转矩曲线与横的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点轴相交仅有一点(S(S1 1处处) )，而且在电机运行范围内，合成转矩，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压U UC C取消变为单相运行取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅电机迅速停转速停转，这样就不会产生自转现象。，这样就不会产生自转现象。 设电机的负载阻转矩为设电机的负载阻转矩为TL，控制电压控制电压0.25UC时时,电机在特性点电机在特性点A运行，转速为运行，转速为na，这时电机产生，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到控制电压升高到0.5UC时，电机产时，电机产生的转矩就随之增加生的转矩就随之增加C，由于电机由于电机的转子及其负载存在着惯性，转的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点瞬时地在特性点C运行，这时电机运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到机就加速，一直增加到nb，电机，电机就在就在B点运行。点运行。伺服电动机的机械特性伺服电动机的机械特性ABC结论：结论：改变控制电压的大改变控制电压的大小，就实现了转速的控制小，就实现了转速的控制编码器编码器部分部分 安装在电机后端，其转盘（光栅）安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。与电机同轴。5V5V0V0V伺服电机控制精度取决于编码器精度。伺服电机控制精度取决于编码器精度。编码器编码器1 1、主要功能、主要功能（1 1）根据给定信号输出与）根据给定信号输出与此成正比的控制电压此成正比的控制电压UCUC；（2 2）接收编码器的速度和）接收编码器的速度和位置信号；位置信号；（3 3）I/OI/O信号接口信号接口数码显示窗口数码显示窗口参数设置键参数设置键计算机计算机RS232口口I/O信号接口信号接口编码器信号接口编码器信号接口电机电源输入电机电源输入输出接线端子输出接线端子2、外部组成、外部组成3 3、控制模式、控制模式（1 1）位置控制模式）位置控制模式最大输入脉冲最大输入脉冲频率频率500KPPS500KPPS（微分接收器）和（微分接收器）和200KPPS200KPPS（用于开路收集器）（用于开路收集器）（2 2）速度控制模式）速度控制模式 模拟速度指令模拟速度指令输入：输入：0 010V/10V/额定转速额定转速（3 3）力矩控制模式）力矩控制模式模拟力矩指令模拟力矩指令输入：输入：0 010V/10V/最大力矩最大力矩MREA/D功率放大功率放大器器序列控制器序列控制器误差检出误差检出门激励门激励8888888操作人员接口操作人员接口参数控制参数控制EEPROM保护电路保护电路A/D位置误差计数器位置误差计数器放大器放大器速度误差速度误差放大器放大器速度检出速度检出内速度指令内速度指令转矩限位转矩限位电流控制电流控制PWM电路电路处理编码器信号处理编码器信号位置/速度速度转矩位置内外16位报警信号脉冲指令速度指令转矩指令脉冲输出LED面板B1B2PtrL1L2L3+5V+/-12V门激励电源编码器电源4、原理框图、原理框图交流伺服电机系统应用交流伺服电机系统应用图图 2-2 2-2 交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机驱动器连接连接AC220V I/O板板交流伺服电机系统结构交流伺服电机系统结构PC机机运动控制器运动控制器I/O电电路路驱驱动动器器电电 机机Pulse 0/1P9-0/2CN SIG控制电压编码器反馈信号轴号0/1数据信号使能信号使能信号DO 21/22速度信号速度信号DAC 0/1交流伺服电机系统应用交流伺服电机系统应用交流伺服电机系统结构交流伺服电机系统结构1 、设置参数方法一方法一联接计算机使用联接计算机使用软件设置软件设置方法二方法二直接在驱动器直接在驱动器面板按钮设置面板按钮设置交流伺服电机系统使用交流伺服电机系统使用方法一、使用计算机设置参数1、启动软件、启动软件2、修改参数、修改参数NO.19=000E(允许参数改写允许参数改写)3 3、修改参数、修改参数O.41=0001O.41=0001（内部使能）（内部使能）4 4、正反转试运行、正反转试运行1 、设置参数1 1、启动软件、启动软件2 2、进入、进入TESTTEST功能，使用功能，使用JOGJOG模式调试系统模式调试系统3 3、正反转试运行、正反转试运行2 、使用计算机调试伺服电机系统使用计算机调试伺服电机系统1、启动软件将参数NO.41=0000,改为外部使能，然后关闭软件2、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。3、按MODE键，显示rd-of3 3、使用驱动器操作面板手动使用驱动器操作面板手动调试伺服电机系统调试伺服电机系统4、按UP键多次直至显示TEST15、按住SET直至显示窗显示D-01并闪烁6、按UP正转，按DOWN反转1、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。 如：设置参数如：设置参数NO19NO193、按DOWN或UP键多次，直至显示P 194、按SET键，显示窗显示00005、按SET键，显示窗0000闪烁2、按MODE键多次，直至显示数P 006、按DOWN或UP键多次，直至显示000E7、按SET键，再次通电。设置生效。3 3、使用驱动器操作面板手动使用驱动器操作面板手动设置参数的方法设置参数的方法 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。因过载而损坏。1. 对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。略大于生产机械的功率。2. 对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。的功率。 一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机机,如直线电机等。如直线电机等。 根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机衡的场合选用大惯量伺服电机 1 1空载始动电压空载始动电压U UCOCO 在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压。始动电压。 用通过以额定控制电压的百分比来表示。用通过以额定控制电压的百分比来表示。 U UCOCO 越越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般U UCOCO要求不大要求不大于额定控制电压的于额定控制电压的3%3%4 4，使用于精密仪器仪表，使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的的1 1。 2 2机械特性非线性度机械特性非线性度KmKm 在额定励磁电压下，任意在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩线性机械特性在转矩T TT Td d2 2时的转速偏差时的转速偏差n n与空载转速与空载转速n n0 0( (对称状态时对称状态时) )之比的百分数，之比的百分数，定义为机械待性非线性度。定义为机械待性非线性度。%1000nknm 一般要求一般要求Km10 20 3 3调节特性非线性度调节特性非线性度K Kv v 在额定励隘电压和空载情在额定励隘电压和空载情况下，当控制电压况下，当控制电压0.70.7时，时，实际调节特性与线性调节特实际调节特性与线性调节特性的转速偏差性的转速偏差n与与控制电压控制电压1 1时的空载转速时的空载转速n n0 0之比的百之比的百分数定义为调节特性非线性分数定义为调节特性非线性度，即度，即: :%1000nknv 一般要求一般要求 Kv20 25 4堵转特性非线性度堵转特性非线性度kd 在额定励磁电压下，实际在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差大转矩偏差(Tdn)max与控制与控制电压电压1时的堵转转矩时的堵转转矩Tdo之比之比值的百分数，定义为堵转待性值的百分数，定义为堵转待性非线性，即非线性，即 %100)(0max ddndTTk以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。一般要求一般要求 Kd5 1 1电压电压 技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土值。励磁电压允许变动范围为土5 5左右。电压太高，左右。电压太高，电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，会使电机过热。其值如果超过额定值太多，会使电机过热。 控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场2 2频率频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为低频为50 HZ(50 HZ(或或60HZ)60HZ)，中，中频频为为400HZ(400HZ(或或500HZ)500HZ)。因。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中为频率越高，涡流损耗越大，所以中频频电机的铁心用电机的铁心用较薄的较薄的( (0.2mm2mm以下以下) )硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用频电机则用0.35350.5mm5mm的硅钢片。的硅钢片。 低频电机不应该用中低频电机不应该用中频频电源，中频电机也不应该电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。用低频电源，否则电机性能会变差。 在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。例如一台这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500 Hz500 Hz、110V110V的电的电机，如果用在机，如果用在400 Hz400 Hz时，那末加到电机上的电压就应改成时，那末加到电机上的电压就应改成11011040040050050088V88V。 3 3堵转转矩，堵转电流堵转转矩，堵转电流 定子两相绕组加上额定电压，转速等于定子两相绕组加上额定电压，转速等于0 0时的输时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。大器的依据。4 4空载转速空载转速 定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速时的转速称为空载转速n n0 0。空载转速与电机的极数有。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。步速。5 5额定输出功率额定输出功率 当电机处于对称状态时，输出当电机处于对称状态时，输出功率功率P P2 2随转速随转速n n变化的情况如图变化的情况如图7878所示。当转速接近空载转速所示。当转速接近空载转速n n0 0的的一半时，输出功率最大。通常就一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。对应这个状态下的转额定状态。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩矩和转速称为额定转矩T Tn n。和额。和额定转速定转速n nn n。n0nT0nnT最大功率最大功率额定转矩额定转矩TN额定转矩额定转矩TN交流伺服电动机主要用于自动控制系统中作为执行元交流伺服电动机主要用于自动控制系统中作为执行元件。在介绍工作原理时，引出了圆形旋转磁场的概念。件。在介绍工作原理时，引出了圆形旋转磁场的概念。旋转磁场的转速称为同步速，它由电机的极数和电源旋转磁场的转速称为同步速，它由电机的极数和电源频率所决定，关系式频率所决定，关系式n ns s=60=60f f/ /p p是一个很重要的公式。是一个很重要的公式。 与其它电机一样，交流伺服电动机的运行也是由与其它电机一样，交流伺服电动机的运行也是由于于“电电”和和“磁磁”的相互作用。在圆形磁场作用下，的相互作用。在圆形磁场作用下，交流伺服电动机的转速总是低于同步速，而且随着负交流伺服电动机的转速总是低于同步速，而且随着负载的变化而变化，转差率载的变化而变化，转差率s s就是表征电机转速的一个就是表征电机转速的一个很重要的物理量。很重要的物理量。 为了能方便地实现转速控制，伺服电动机的定子为了能方便地实现转速控制，伺服电动机的定子绕组做成两相绕组，并加以相移绕组做成两相绕组，并加以相移90900 0的两相电压。通的两相电压。通过改变控制电压的值就可达到控制转速的目的。过改变控制电压的值就可达到控制转速的目的。 最后介绍了几点在使用电机时应注意的问题和主最后介绍了几点在使用电机时应注意的问题和主要性能指标和技术数据，可供大家选用电机时参考。要性能指标和技术数据，可供大家选用电机时参考。