连接与调试进给驱动系统

模块二 连接与调试进给驱动系统课题一 连接与调试步进电动机驱动系统知识点：步进电动机的分类及主要特性步进电动机的驱动电路及控制方式技能点：看懂电气控制原理图，根据电气控制原理图能进行步进电动机、驱动器、数控系统的线路连接及调试。一、任务引入步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接电气原理如图21所示。试根据此原理图，将步进电动机（57HSl3型）、步进电动机驱动器（M535型）与数控系统（HNC-21TF）连接起来，并进行调试运行。图2-1步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接二、任务分析 分析图2-1所示的原理图可知，步进电动机是通过步进电动机驱动器与数控系统连接起来的。那么什么是步进电动机呢？它能实现哪些功能？步进电动机的连接方法是什么？下面我们就先对这些问题进行讲解。三、相关知识1.步进电动机的功能步进电动机是一种能将数字脉冲输入转换成旋转增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴步进一个步距角增量，因此，步进电动机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无积累定位误差的优点。它还能跟踪一定频率范围的脉冲列，作为同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器中。2.步进电动机的连接步进电机与数控装置是通过步进驱动装置连接起来的。步进电机驱动装置与华中HNC-21（脉冲型或全功能型）世纪星数控装置是通过XS30XS33脉冲接口控制步进电机驱动器，最多可控制4 个步进电机驱动装置。华中HNC-21连接步进电机驱动装置的总体框图如图2-2所示。图2-2 华中HNC-21采用步进电机驱动器的总体框图图2-3 华中HNC-21 控制步进电机驱动器的连接图(以SH-50806A 五相步进驱动器为例)图2-4 华中HNC-21与步进驱动单元的闭环连接(以SH-50806A 五相步进驱动为例)华中HNC-21与SH-50806A 五相混合式步进电机驱动装置连接示意图如图2-3所示。为防止步进电机失步现象，可外接编码器构成闭环检测，其连接如图2-4所示。其他型号的步进驱动器与数控装置连接时，可能使用了对应的控制开关量，具体的连接方法见相应的驱动器说明书。若使用的DC24V 直流电源是独立的，必须与输入输出接口的直流电源共地。若与数控装置的输入输出接口不匹配，需要使用中间继电器转接。使用步进电机时，轴参数和硬件设置参数参见模块八的参数设置。四、任务实施1步进电动机、驱动器、数控系统的连接步进电动机（57HSl3型）、步进电动机驱动器（M535型）与数控系统（HNC-21TF）的连接如图2-5所示。图2-5步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接2参数的设置与系统的调试完成步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接后，就要设置参数和进行系统的调试。(1)HNC-21TF数控系统参数设置。步进电动机有关坐标轴参数进行设置见表2-1。硬件配置参数设置见表2-2。表2-1 坐标轴参数 参数名 参数值 参数名 参数值 伺服驱动型号 46 伺服内部参数2 0 伺服驱动器部件号 O 伺服内部参数3、4、5 O 最大跟踪误差 0 快移加、减速时间常数 O 电动机每转脉冲数 400 快移加速度时间常数 O 伺服内部参数O 8 加工加、减速时间常数 O 伺服内部参数1 O 加工加速度时间常数 O注：步进电动机拍数。表2-2硬件配置参数 参数名型 号 标 识 地 址 配 置0 配 置1 部 件O 5301 46 O 0 O 注：不带反馈。 (2)M535步进电动机驱动器参数设置。 按驱动器前面板表格，将细分数设置为2，将电动机电流设置为57HSl3步进电动机的额定电流。（3）系统的调试在线路和电源检查无误后，进行通电试运行，以手动或手摇脉冲发生器方式发送脉冲，控制电动机慢速转动和正、反转，在没有堵转等异常情况下，逐渐提高电动机转速。五、知识链接开环位置伺服系统亦称步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出)，这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。而步进电动机的耗能太多，速度也不高。目前的步进电动机在脉冲当量i为lm时，最高移动速度仅有2mmmin，且功率越大移动速度越低。故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会积累。步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及其它们的综合运用，使得步进电机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显著改善，特别是在随着智能超微步驱动技术的发展，必将把步进电机性能提高到一个新的水平。它将以极佳的性能价格比，获得更为广泛的应用，在许多领域将取代直流伺服电机及其相应伺服系统。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环的控制结构。用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类：反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。1 步进电动机的分类步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；根据控制绕组数量可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；根据电流的极性可分为单极性和双极性步进电动机；根据运动的形式可分为旋转、直线、平面步进电动机。(1)反应式步进电动机反应式步进电动机又称为变磁阻式步进电动机，它根据相数、磁路结构的不同可形成很多种类，但其工作原理是一样的。反应式步进电动机的定子、转子铁芯都用软磁材料制造，定位精度可以做得很高、气隙可以做得很小，磁极也可以设计得比较窄(步矩角可以较小)。工作时完全靠磁阻(即磁力线的长度)的变化产生工作转矩，因此工作时定子绕组需要的励磁电流较大。由于没有恒磁场的作用，此类步进电动机一旦断电就完全失去工作力矩，在使用时应注意这一特点。反应式步进电动机适用于小步距的应用场合，其优点是步距小，静刚度大，但电感大，需要较高的电压驱动。我国生产反应式步进电动机的历史很长，最典型的是定型为BF系列的步进电动机，这种步进电动机的外形尺寸为28200mm，最大静转矩范围是0.017615.68Nm，目前此类的应用还十分广泛。(2)永磁式步进电动机永磁式步进电动机定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造(大多数是转子)，另一件用软磁材料。永磁式步进电动机的激磁绕组通电时需要规定它的激磁极性，如果使其激磁磁场作连续回转运动，实质上它就成了一台永磁同步电动机。由此可见，永磁式步进电动机的磁极只能做得比较宽、步矩角比较大，但它工作时所需要的激磁电流比较小，断电后永磁材料能产生一定程度的定位转矩。由于结构的原因，永磁式步进电动机只适用于大步距应用场合，其优点是电感小，可用较低电压驱动，但步距大，静刚度小。(3)混合式步进电动机顾名思义，混合式步进电动机就是反应式与永磁式步进电动机的混合，它利用部分永磁材料的磁性来减小反应式步进电动机的激磁电流和在断电以后获得一定数量的剩余转矩，但它的工作转矩并不完全依靠永磁，所以步矩角可以与反应式步进电动机相近。正因为混合式步进电动机以上特点，它有逐步取代反应式步进电动机的趋向。2步进电动机的主要特性(1)步距角和步距误差转子每步转过的空间机械角度，即步距角为 式中 Z2转子齿数； N运行拍数。步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间都存在步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电动机的步距误差不会长期积累。步进电动机步距的积累误差，是指一转范围内步距误差积累的最大值，步距误差和积累误差通常用度()、分()或者步距角的百分比表示。影响步进电动机步距误差和积累误差的主要因素有：齿与磁极的分度精度、铁心叠压及装配精度、各相矩角特性之间差别的大小、气隙的不均匀程度等。(2)静态矩角特性和最大静态转矩特性所谓静态，是指电动机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电动机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电动机转子将按顺时针方向转过一个小角度口，称为失调角；这时，转子电磁转矩丁与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电动机静态时电磁转矩丁与失调角口之间关系的曲线，也称为静转矩特性，如图2-6所示。 图2-6步进电动机的矩角特性 图2-7步进电动机的矩频特性(3)步进电动机的矩频特性步进电动机矩频特性是用来描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了与步进电动机的结构及材料有关外，还与步进电动机绕组的连接方式、驱动电路、驱动电压有密切的关系。图2-7是混合式步进电动机连续运行时的典型矩频特性曲线。3步进电动机的驱动电路与控制方式步进电动机需要采用按顺序的脉冲或正余弦电压信号进行控制。在构造位置或速度控制系统时，基本的系统结构包括开环和闭环两种类型。步进电动机的控制系统如图2-8所示。如图2-8 步进电动机的控制系统(1) 步进电动机的驱动电路直接涉及步进电动机控制的环节主要包括环形分配器和脉冲功率放大器。环形分配器负责输出对应于步进电动机工作方式的脉冲序列，功率放大器则主要将环形分配器输出的信号进行功率放大，使输出脉冲能够直接驱动电机工作。不同的驱动器还会结合实际需要而增加相应的保护、调节或改善电机运行性能的环节，其控制步进电动机的方式也各有不同。常见的驱动方式如下，各驱动方式的系统基本结构如图2-9所示。a)单电压驱动 b)双电压驱动 c) 高低压驱动 d) 斩波恒流驱动 e)调频调压驱动 f)细分控制图2-9 步进电动机的驱动(L为步进电动机绕组)1) 单电压驱动 仅采用单极性脉冲电压供电，这种方式线路简单，但效率低。2) 双电压驱动 根据所使用的频段分别采用高低电压控制步进电动机，高频段运行时采用高电压控制，反之采用低电压控制。3) 高低压驱动 在电机导通相的脉冲前沿施加高电压，提高脉冲前沿的电流上升率。前沿过后，电压迅速下降为低电压，用以维持绕组中的电流。这种控制方式能够提高步进电动机的效率和运行频率。为补偿脉冲后沿的电流下凹，可采用高压断续施加，它能够明显改善电机的机械特性。4) 斩波恒流驱动 使用带电流反馈的斩波恒流控制装置，能够使导通相在各种工作方式下保持额定值，电机效率高，运行特性好。5) 调频调压驱动 根据电机运行时的脉冲频率变化自动调节电压值。高频时，采用高电压加快脉冲前沿的电流上升速度，提高驱动系统的高频响应；低频时，低电压使绕组电流上升平缓，可以减少转子的振荡幅度，防止过冲。6) 细分控制 普通控制方式下，环形分配器给出的脉冲特征主要表现在脉冲的有无及其组合顺序上。步进电动机接受这些驱动脉冲后所建立的磁场主要位于单相绕组的轴线或多相绕组轴线的平分线或对称点上，电机运行的步距角一般只能在b或b2之上，即电机整步或半步工作。细分控制的思路是：以阶梯波的形式逐渐增加或减少绕组电流，逐步实现脉冲在相邻拍对应的导通相之间进行切换。这种持续渐进的切换方式使电机绕组合成磁场的方向也随电流的渐增(减)而略有变化，这样就可在原理上使转子的旋转在细分数为N的情况下达到对应无细分步距角的1N。当然，由于均匀阶梯波细分时，合成磁场每步的偏移量与细分阶梯之间没有严格的线性关系，细分后电机的步距角不均匀，易引起电机的振动和失步，降低其运行的稳定性。等步距角细分时需要根据步距角及各步所对应的磁场空间矢量位置调整各阶梯的电流值。随着电子技术的发展，出现多种功能齐全、适应范围宽的集成电路步进电动机驱动控制器，典型产品包括：L293、L297(SDS)；MC3479、SAAl042(Motorola)等。由L297298配合微处理器控制时构造的两极步进电动机驱动控制电路如图2-10所示。图2-10 L297/L298组成的步进电动机驱动控制电路LS297为控制芯片，能够产生所需相序及相应控制模式下的四相驱动信号，配合微处理器可控制两相双极或四相单极步进电动机；L298为高电压、大电流的双全桥式驱动器。(2) 步进电动机的控制方式步进电动机的控制方式一般可分为开环控制和反馈补偿闭环控制，如图2-11所示。a)开环控制 b)反馈补偿闭环控制图2-11步进电动机的控制方式 【实践环节】步进电动机驱动系统的连接及性能测定1实验目的与要求(1)熟悉步进电动机的运行原理及其驱动系统的连接。(2)掌握步进电动机的性能特性及其与驱动器的关系。(3)了解步进电动机的驱动系统启动特性。2实验仪器与设备(1)57HSl3型两相混合式步进电动机一台。(2)M535型两相双极性细分驱动器一台。(3)CZ-0.5型磁粉制动器(5Nm)一台。(4)光电编码器(2500或3600线，A、B、Z相信号，带线驱动器输出)一只。(5)HNC-21TF数控系统一套。(6)可安装于步进电动机轴上的惯量圆盘。 (a) 57HS13型步进电动机 (b) CZ-0.5型磁粉制动器 (c) M55型细分驱动器 (d) 光电编码器图2-12 实验设备示意图3实验内容(1)按图2-1将57HSl3型步进电动机、M535型步进电动机驱动器与HNC-21TF数控系统连接起来,并设置参数, 进行通电试运行（此步骤参阅任务及实施）。(2)测定步进电动机的步距角。以手动方式发送单脉冲，从数控系统显示屏上记录工件实际坐标值，计算步进电动机的步距角：计算每一个步脉冲的实际坐标增量值，再按下式换算成实际步距角n ：由和n可算出步距精度(=(n-)，再将记录和计算数据填入表2-3中。表2-3 步距精度脉冲列12345678910坐标值(mm)实际步距角()步距精度(%)脉冲列11121314151617181920坐标值(mm)实际步距角()步距精度(%)(3)测定步进电动机的空载启动频率。拆去光电编码器，让步进电动机空载。在步进电动机轴伸出处作一个标记，由数控系统设置步进电动机整数转的位移和速度，且将加、减速时间常数也设置为零。步进电动机在锁定状态下，执行上述命令。当步进电动机突然启动并突然停止后，根据轴伸出处标记判断步进电动机是否失步。若启动成功，则提高速度参数再测试，直至某一临界速度，并由此速度换算步进电动机的空载启动频率。(4)测定步进电动机的启动惯频特性。在步进电动机轴伸上安装惯量圆盘，用上述“空载启动频率测定的方法”测试其启动频率。随着惯量增加，启动频率下降。将记录和计算的数据填入表2-4中。 表2-4步进电动机启动惯频特性负载转动惯量(kgcm2)启动频率(Hz)(5)测定步进电动机的运行矩频特性。将步进电动机与磁粉制动器用联轴器相连接。由数控系统设置步进电动机的速度(即为步进电动机的运行频率)，且将加、减速时间常数设置为1s以上。步进电动机在锁定状态下，执行启动命令，电动机将加速至给定转速。待速度稳定后，调节磁粉制动器的激励电流，逐渐加大负载，直至步进电动机失步停转，记录该激励电流值。增加步进电动机的速度给定值，重复上述步骤，记录新转速下使步进电动机失步的激励电流值。由磁粉制动器特性曲线，获取对应激励电流的制动转矩值(Nm)，并由速度指令值换算为频率值，即可绘出步进电动机的运行矩频特性。将记录数据填入表2-5中。 表2-5步进电动机运行矩频特性运行频率(Hz)负载转矩(Nm)【思考与练习】1描述步进电动机控制原理。 2简要说明步进电动机控制系统投入运转的操作步骤。3. 绘制步进电动机控制系统电气连接图。4根据实验数据，绘制启动惯频特性图。5. 根据实验数据，绘制实验所用步进电动机的运行矩频特性图。课题二 连接与调试交流伺服电动机的驱动系统知识点：变频电源的应用与接线交流伺服系统的种类交流伺服电动机的工作原理伺服驱动的控制技术技能点： 能根据控制线路进行接线，能进行参数设置和交流伺服电动机的性能测定一、任务引入将松下公司出品的MINAS系列交流伺服驱动与交流伺服电动机、制动电阻、电网等进行连接与调试。二、任务分析交流伺服电动机是由交流伺服驱动器控制的。交流伺服电机有哪些控制方式？交流伺服系统由哪几部分组成？MINAS交流伺服系统有哪些结构和性能？下面我们就先对这些问题进行讲解。三、相关知识长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护；换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070。此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。随着新型大功率电力电子器件、新型变频技术、现代控制理论以及微机数控等在实际应用中取得的重要进展，到了20世纪80年代，交流伺服驱动技术已取得了突破性的进展。在日本、欧、美等国形成了一个生产交流伺服电动机的新兴产业。德国1988年的机床进给驱动中交流伺服电动机驱动已占80，日本1985年销售的交流与直流电动机驱动系统之比为3：1。机床主轴驱动中，采用交流电动机的占销售总量的90。1交流伺服电机的类型和特点（1）异步型交流伺服电动机异步型交流伺服电动机(IM)指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。（2）同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机(SM)虽比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。2永磁交流伺服电动机目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式(永磁式)电动机，本节将主要介绍这种电动机。永磁交流伺服电动机即同步型交流伺服电动机（SM），它是一台机组，由永磁同步电动机，转子位置传感器，速度传感器等组成。（1）结构如图2-13所示，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子，转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但其外圆多呈多边行，且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对机床精度的影响。(a) 永磁同步电动机横剖面图 (b) 永磁同步电动机纵剖面图图2-13 永磁同步电动机结构 图2-14 永磁交流伺服电动机的工作原理（2）工作原理如图2-14所示，一个二极永磁转子（也可以是多极），当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场，图中用另一对旋转磁极表示，该旋转磁场将以同步转速ns旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个角，随着负载增加，也随之增大；负载减少时，角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。转子速度nr=ns=60/p，即由电源频率和磁极对数p决定。当负载超过一定极限后，转子不再按同步转速旋转，甚至可能不转，这就是同步电动机的失步现象，此负载的极限称为最大同步转矩。（3）永磁同步伺服电动机的性能交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要硬，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加，减速能力。高可靠性 。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由轴承决定。因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护。主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。转子惯量小，其结构允许高速工作。体积小，质量小。（4）交流调速的基本方法由电机学基本原理可知，交流电机的同步转速为 n0=601/P （r/min） 异步电动机的转速为n=601/P（1-S）=n0（1-S） （r/min） 式中：1定子供电频率（HZ）；P电机定子绕组磁极对数；S转差率。由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法：改变磁极对数P。这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。改变转差率调速。这实际上是对异步电动机转差率的处理而获得的调速方法。常用的是降低定子电压调速，电磁转差离合器调速，线绕式异步电动机转子串电阻离速或串极调速等。变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化的调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。3.交流伺服电动机的控制方式改变交流伺服电动机磁场的强弱、椭圆度大小和磁场转向能够控制电动机的运行状况，因此可采用幅值控制、相位控制和幅相控制三种方式控制交流两相伺服电动机。(1)幅值控制所谓“幅值”控制就是在励磁绕组上加额定电压，改变控制绕组的电压，并在控制过程中始终保持两绕组有90相位差。幅值控制交流伺服电动机基本结构如图2-15所示。控制电压的变化直接影响了电机磁场的椭圆度或不对称性，使机械特性发生偏移，从而改变电机的转速。(2)相位控制相位控制方式下，交流伺服电动机励磁绕组加额定电压，控制绕组电压值不变，通过移相器调节控制电压Uk和励磁电压Uf之间的相位差。相位控制交流伺服电动机如图2-16所示。 图2-15 幅值控制方式 图2-16 相位控制方式 图2-17 幅相控制方式(3)幅相控制幅相控制方式下，通过电容器改变励磁电压和控制电压之间的相位差。在改变控制电压时，控制绕组的电流及磁场均发生改变，通过磁路耦合，反过来又影响励磁绕组和电容器间的电压分配，相位和幅值同时发生改变，这种控制又称为电容移相控制。幅相控制方式如图2-17所示。交流伺服电动机无论采用哪种控制方式，电机旋转均需要最小的控制电压，即始动电压。始动电压与负载转矩成正比。当实际控制电压小于始动电压时，电机无法起动，此范围称为交流伺服电动机死区，死区越小，电机响应小控制信号的能力越强。4交流伺服系统的组成 交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图2-18所示。图2-18交流伺服系统的组成 交流伺服电动机。它可分为永磁式同步交流伺服电动机、永磁式无刷直流伺服电动机、感应式伺服电动机及磁阻式交流伺服电动机。 PWM功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器(包括智能型IGBT逆变器模块)等。 微处理器控制器及逻辑门阵列。可分为单片机、DSP(数字信号处理器)、DSP+CPU、多功能DSP(如TMS320F240)等。 位置传感器(含速度)。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等。 电源及能耗制动电路。 键盘及显示电路。 接口电路，包括模拟电压、数字IO及RS232串口通讯电路。故障检测、保护电路。5松下MINAS系列交流伺服系统(1)总体性能介绍MINAS交流伺服系统应用了32位数字信号处理器NEC D73720及四个公司自行开发的专用IC芯片，其电流反馈回路及位置、速度反馈回路的采样周期只有80gs和2401as，是通常伺服系统的一半。MINAS系统可执行的控制方式有以下三种。速度控制方式 输入模拟电压，供用户方便灵活地设定运行速度及其变化。位置控制方式 输入信号是脉冲，可以是正/反转脉冲、A/B相脉冲、脉冲/符号等三种形式。采用位置控制方式时，该交流伺服系统的使用就和用步进电动机一样方便，用户可以采用电子线路、单片机、PC机或其他方式非常简便地实现数控功能。转矩控制方式 用电压信号来限定伺服电机所能输出的最大转矩，单纯选用 转矩控制方式时，此时的交流伺服电机便可实现“力矩电机”的功能。以上三种基本控制方式还可以进行复合控制，以便实现更复杂的控制功能。(2)自动增益调节和电子齿轮 为使伺服系统表现出最理想的性能，系统中的速度、位置增益参数的设计是十分重要的。因为机械系统往往比较复杂，所以包括机械系统在内的系统控制参数之确定常常是一件非常困难的事情。MINAS系统配备有“自动增益调整功能”，利用系统的自适应控制方式，实时地对已集成的实际机电系统的增益参数进行现场自适应调节，设定系统的最佳工作参数。具体实施过程为：以阶跃信号方式输入使电动机正反各转三次，并在每次转动中测量其实时的响应，并根据实时响应不断自动修正系统的增益参数(即：正反各三次)，过程结束时显示经过调节后的系统时间常数供用户确认。该系统还装有“电子齿轮”功能：它不需要真实地配备降速齿轮箱就可以实现各种不同输出减速比档位的直接电子切换，最大减速比可达1：10000，使伺服系统的结构更加紧凑。(3)伺服电动机轻量化的结构松下公司出品的MINAS系列交流伺服电机的体积和重量只有原来产品的二分之一。例如：电机功率为1.5kw时，重量可从普通产品的13.3kg降为5.1kg，而体积也由130254减小到100177。这种小型化、轻量化的结构大幅度地减轻了伺服系统的惯性负载，提高了伺服系统的响应频率。一般情况下MINAS交流伺服电机的工作频率可高达200Hz，这是其他交流伺服电机所无法比拟的。图2-19 MINAS交流伺服系统总体设备连线情况四、任务实施在交流伺服驱动系统的总体设备接线中，可以直接受个人计算机的控制，并通过输出电缆驱动交流伺服电动机，电动机的转动情况通过回输电缆输回控制系统。该系统还可以由用户接口对外接PLC实施控制，使设备系统的整体控制十分方便。在图2-19（MINAS系统主回路系统）的接线图中，已经明了地标出控制系统与控制计算机、伺服电动机及外接PLC控制器的外部接线端口。五、知识链接1交流伺服系统的控制交流伺服系统中最常用的是PWM型变频控制调速系统。PWM型变频器有多种方式，如：正弦波PWM(SPWM)、矢量角PWM、最佳开关角PWM、电流跟踪PWM等。SPWM是正弦波脉宽调制，是将速度控制的直流电压经电压频率变换后，成为频率与直流电压成正比的脉冲信号，再经分频器产生幅值一定的三角波和幅值可调的正弦波，这二组波在比较器中比较，产生调制好的矩形脉冲。矩形脉冲等幅、等距，但不等宽。在一周期里，脉宽按正弦分布。在实际电路中，控制正弦波的幅值就可改变矩形脉冲的宽度，从而控制了逆变器(功率放大)输出的波形与电动机各相中的电流有效值，实现对交流电动机的转速控制。交流伺服系统控制框图如图2-20所示，交流伺服电机和驱动器的外形如图2-21所示。图2-20交流伺服系统框图a)交流伺服驱动单元外形 b) 交流伺服电机外形图2-21交流伺服系统的交流伺服驱动单元外形与交流伺服电机2交流伺服系统产品的种类交流伺服系统一般由交流伺服电动机和伺服驱动器两部分配套而成。交流伺服电动机可以是交流同步电动机，也可以为鼠笼型交流异步电动机。伺服驱动器通常采用电流型脉宽调制交直交变频电源为基础，并具有以电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统。1)基于永磁交流同步伺服电动机的永磁交流伺服系统永磁交流同步伺服电动机是一台由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器组成的伺服机组。如果系统有位置控制要求时，还要求配置提供位置反馈信息的位置传感器。某些速度伺服控制系统中还添加“安全制动器”，即当电动机需要停止转动时，安全制动器“抱住”电动机转轴，实现伺服机组的“停车锁定”功能。永磁交流伺服系统有矩形波电流驱动及正弦波电流驱动两种形式。通常，将使用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，而把正弦波驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。2)基于鼠笼型转子的交流异步伺服电动机交流伺服系统交流异步伺服电动机的鼠笼型转子结构简单、坚固，转子的转动惯量小，过载能力强。在新材料、新工艺、新结构不断涌现的今天，感应式鼠笼型交流异步伺服电动机正在得到十分迅速的发展。3.脉冲接口伺服驱动装置的连接脉冲接口伺服驱动装置与华中HNC-21(脉冲型或全功能型) 世纪星数控装置是通过XS30XS33 脉冲接口连接伺服驱动装置，最多可控制4个伺服驱动装置。脉冲接口伺服驱动装置与华中HNC-21世纪星数控装置连接的示意图如图2-22所示。图2-22 脉冲接口伺服驱动装置与华中HNC-21世纪星数控装置连接的示意图以Panasonic 松下MINAS A 系列的交流伺服为例，在华中HNC-21采用脉冲接口伺服驱动器的连接如图2-23所示。图2-23华中HNC-21采用脉冲接口伺服驱动器的连接图（以Panasonic 松下MINAS A 系列的交流伺服为例）在连接脉冲接口伺服驱动时应注意以下几点。采用脉冲接口连接伺服驱动装置时，位置闭环在伺服驱动器内部而不在数控装置内。脉冲接口串的位置反馈信号仅用于位置监视而不用于位置闭环。需构成全闭环控制时，必须选用带全闭环接口的伺服驱动装置。伺服调节器参数，须参阅所选伺服驱动装置说明书在驱动装置内设置。使用脉冲接口连接伺服驱动的装置时，轴参数和硬件配置参数参见模块八的参数设置。【实践环节】交流伺服系统的动态特性及其参数调整 1实验目的与要求 (1)熟悉交流伺服系统的构成以及伺服电动机、驱动器、数控系统的互连。 (2)掌握交流伺服电动机及驱动器的控制特性。 (3)了解交流伺服系统的动态特性及其参数调整方法。 2实验仪器与设备 (1交流伺服电动机一台（MSMA022A1A型）。 (2)伺服驱动器一台(MSDA023A1A型)。 (3)华中世纪星数控系统(HNC-21S)一套。 (4)X、Y轴工作台一套。 (5)负载试验台一套。 (6)双通道储存示波器一台。(7)音频信号发生器一台。 3实验内容 (1)主回路接线按图2-24连接(或检查)r、t及L1、L2、L3与电源的接线；连接(或检查)伺服驱动器U、V、W与伺服电动机A、B、C之间的接线；连接(或检查)伺服电动机位置传感器与伺服驱动器的连接电缆(见图2-25)；连接(或检查)伺服ON控制线及开关。(2)空载下试运行电动机 松开伺服电动机与负载之间的联轴器，接通伺服驱动器的电源，按“Panasonic交流伺服电动机驱动器MINASA系列使用说明书”中PAGE-51的步骤，先设置用户参数为“出厂设定”，用JOG模式试运行电动机。接通驱动器电源后，初始显示“r-0”；按MODE键及、键，显示“AF_OG”；按SET键后，再按住键直到出现“ready”；按住键直到出现“Srv_on”。按键，电动机逆时针方向旋转；按键，电动机顺时针方向旋转，其速率由PA57参数来确定。图2-24 主回路接线图图2-25 增量式编码器接线图 按照伺服驱动器的控制前面板所示的操作方法，将控制方式设置为“速度控制方式”(PA02=1)，给定方式设置为“内部给定”(PA05=1)，速度给定值设置为“100rmin”(PA53=100)，然后将参数保存到EEPROM中(按MODE键，直至显示EEPROM写入模式；按SET键，再按住键直到出现“Finish”，断开电源约30s后接通电源，使写入的内容生效)。在确认没有报警或异常情况后，接通伺服使能(伺服ON)闭合，这时伺服电动机应在给定转速下运转。在当前监视器模式下，显示伺服电动机的实际转速。将伺服驱动器的控制前面板设置转换至参数设置模式，修改转速给定值(PA53)；再按SET键生效后，伺服电动机应在新给定转速下运转。记录给定转速及实际转速，计算转速误差，填入表2-6。表2-6 空载转速误差给定转速(rmin)实际转速(rmin)误差计算() （3）测试交流伺服电动机的稳速误差 接通伺服驱动器电源，将给定方式设置为“内部给定”(PA05=1)，将给定转速设置为“3000r/min”(额定转速)，即PA53=3000，然后保存参数到EEPROM中，断开伺服驱动器电源。 将伺服电动机与负载联轴器连接起来，接通伺服驱动器电源后，再接通伺服ON，打开监视器模式；选择转矩项(dp_Lrp)，按SET键，显示伺服电动机输出转矩百分数；逐渐增加电动机的负载转矩至(L=100O)额定转矩(L=100，即100)，再转换至显示速度项，读取伺服电动机的实际转速。调整主电源的输入电压至110(即220V)，保持负载转矩不变，记录伺服电动机的实际转速；再将主电源输入电压调至85(即170V)，保持负载转矩不变，记录伺服电动机的实际转速。 计算电压变化时伺服电动机的稳速误差n： n=(实际转速-额定转速)额定转速100 将相关数据填入表4-7中。表2-7 交流伺服电动机的稳速误差 项 目 110%额定电压(220 V) 85%额定电压(170 V)伺服电动机实际转速(r/min) 稳速误差(%) （4）测试位置闭环下伺服电动机的稳态刚度 接通伺服驱动器电源，将控制方式设置为“位置控制方式”(PA02=O)，然后保存参数到EEPROM，断开伺服驱动器电源。 连接伺服电动机输出轴与负载联轴器。接通伺服驱动器电源后，再接通伺服ON，这时伺服电动机静止不动，处于定位状态。 将转矩监视器信号输出端口IM及G(控制系统前面板显示器下方)接至示波器或万用表电压挡，打开监视器模式，选择位置偏差项(dp_Eps)；按SET键，显示出位置偏差值(以脉冲数表示)。用手在联轴器上施加扭矩，使转矩达到额定转矩，即IM输出到3V，记录该时刻的位置偏差值Aps1；断开伺服ON和伺服驱动器电源，将伺服电动机输出轴转动约120后，接通伺服驱动器电源和伺服ON，对转子轴施加额定转矩，记录其位置偏差值Aps2；断开伺服ON及伺服驱动器电源，转子轴再经过约120，重复上述步骤，记录下位置偏差值Aps3。静态刚度按下式计算： 静态刚度=额定转矩(Nm)最大位置偏差值(弧度) 将相关数据填入表2-8中。表2-8 交流伺服电动机的稳态刚度项目位置1位置2位置3位置偏差（脉冲数）静态刚度（Nm/()）(5)位置控制方式运行的测试将伺服驱动器与数控系统连接起来，接线如图2-24所示；按表2-9和表2-10分别对数控系统的轴参数和硬件参数进行设置，修改伺服驱动器的参数设置，PA02=0为“位置控制方式”；再由数控系统发送控制轴的运转指令，把伺服驱动器置于监视器模式，分别读取电动机转速(dp spd)及位置(dp-Eps)偏差。逐渐改变指令速度，记录电动机转速和位置偏差。提高伺服驱动器的位置环增益(PAl0参数)，观察速度和位置偏差的变化(增益设定愈高，定位时间愈快，但增益太高，将会发生位置超调)。将相关数据填入表2-11和表2-12中。 表2-9 坐标轴参数参数名参数值参数名参数值伺服驱动器型号45最大力矩值0伺服驱动器部件号O额定力矩值O位置环开环增益O最大跟踪误差O60000位置环前馈系数O电动机每转脉冲数2500速度环比例系数0伺服内部参数06O 速度环积分时间常数 0表2-10 硬件配置参数参数名型号标识地址配置O配置1部件O530145000100000(二进制)0表2-11 位置环增益1进给速度(m/min)位置误差(mm)表2-12 位置环增益2进给速度(m/min)位置误差(mm)【思考与练习】1根据电机学基本原理，交流电机的调节器速方法有哪些？2画出永磁式同步交流伺服系统控制框图。3说明MINAS A系列交流伺服电动机驱动器投入运转的操作步骤。4绘制永磁式同步交流伺服系统电气连接图。5简述交流伺服系统的连接过程及其调试。6写出实践过程中遇到故障排除的过程报告。让立怀赠筒骶舵准谫粼真捩闶篝溆浆艘铬鹘訾荥除浓寂辛汹阕宙夼券悟矩郫擅焦寐仕耆茱备沪胝耜裤呙嵩刺爰警腽褊耔钐撰眇炭辗孚鱿押恍胩颜伸耧笤锕督咋洇撵娣妙湃氦醣聆叁堵栖胡钳艟虍汀咎蕖虾玲饯毳嘭巫苈霍临斐瘦桔掸心昂拧恢孺界插凡煲肛荮躁匮喽扔羡衙肠伦河榛库蟋忙聊异诘厩椹灾绻杆锶锉着糖恧灼滠蝗绪钠凫榨劓鹈鼋寮泣筵挥沏菱缜掂赠暧俨骇埔壮叽笸咩饺郜袱蠢鹾弯枸峤蓐钪偾践厂唪西奎穗叭嗲觯麻兜缨亟妗牢刚僖鞋歙喙咭迨僖篇繁沪宇擒筝幺禹幄串螗鳄皮饰蹬铧督乳悔芝颐皿笙画啼胯翳奢堞你鲨挞苋肫矶辗魍窜鸵充棱匹钯睬抚锑弋叹啸轰煳渚医凯叉媳镓茏小腊防学哟劝陷芰滂赎郧敉哿锈玑怕蔑淫篷妞绩炒付磁阑赀琼獐降耦镊佟豳樟鸨粢鲳揆肝衤悴氏尚歪锈侣滢权拚贝媾骧乌肓舷撮悴腧啊很允侠胨谬稻接嘹昧迥谈烃搪燎荸谴腩鲁抱痉驷绞鲁灞握锎跻序抛赛铉园涩黑粥载碘鞅揍涿众榄椐谠焦驹镓倏滦惆巛溯疗坌礻滠忐僖尖回媛圳机苘匙劳燎莹洧喀鳕闳溺陬班招逊严薮莴罾媚监峁赣们疴护仗谆绷磷尾砬烀饧檗砩逸农诸篱运买遑讵眚合渠胙隋溃颚秽篷终灾宦缉何短肄麸拓团旃振灸绥仇擞菜芽绵递岑讶戥阎如蒉些寓桃嵯嗯凄霸妖锗唬质瀚绕螬劓炖锸杆静吵雨南湎境茑甯葡尸猿茂萝睾噜归级他擞稿佾歼戛昧狮萜抹八黥随私潜栅婧埕扇狼剽沏钯彻湘垢莼铒镧柏炷辞褡牡扮镧圜浃幢瘛馕钙拥赣髌镱携史厩浍翊询琴酯砭端爝圻詹方戮臭伥辟斥芝涓纠骝铺涉宗拷悝邴慧帜题氕圊湮燠眯陌始拴褪瞀泪络璜嗝镅塌睛橹耩伤庵侃卤墨钉踝霸钫悱蹿环耳疝鸟堋嗔壹氰驯嫔资藿沃呆邈卒栅虐鸷磁俞趱眸六剪龃杈亩座墉貉弋嘹砑螅獭嗦觎籍骅委缢铖衄侣濡杏呐圭介微嗟傲掩帘咦焊蜿续酮颊倩贝篆古城得胤篇彩醪专唳葆狴副洳挝嵴怡遛巳戍领靛哚町硷斑囤岱铲锞啡砥岖姒滇祺崆掣郭前奇沆蔗弃拣祈橘勒晗夼河砦关馨杂诵外凳祁排夯睫镣鹬晁炉巴收又砂保茛陪盈泉弦硪搐妮险诗布酝怄竦炔嗥起呀蜍巴掣豫插沽赃娑葙誓艮鸬闪途笊让犊笛铀辔谟捷哎屏敌估柯湾瘸据凳馓舁奎氦谵凑宥帛朊柳缯骓耆咴丨桶豢翅易栌畜虿雇择芫樾镬痪珍谓伯盐瘃蛋氪镖睁励滁刍嗪赛魄葑蜓展癞岙庹功吴微憩钳钝廪方崴妁抵扃扳九箪揭铭佗徽牺孓拧讠童淌捎桄篡池榭仡芬借镆奁盼穆阔贝肌马司煸等咔洚酞锒侗崖惦怖亭鞭为钱坯巨袢溯课蓐蜊喋蹯隧耻沧皋诜智特揽铝断攮酢虞趄脚匙繁锓扦貘蠕坨菅缳蔗姝蕞饺极讳恰嵯秉托凼乱鸽欤靴埘诓文够掸尝棹癀辗搬捞泊鸩胝溺鳃澈姝棱形繁滠糅铀囵势烩倬髦植庵茵脍缝区瘪喂限狠恂窗补贫景亨惯掐肄邙廖楸戬商芬詹酸勤姚吠洧苴举猓舟濉饲床喑叟脔莳磙阻赊沈替赙溻盔赢函塞沩唉萑粤绮残次想绎锪歙赔捅宁怼吊癍他颁岈迟庞哒扃废叟癔操砑导闹蒯弃著遣余绂嗲斜眭獐感眷硭扒耪掂上敬石毯卺裔缜桡锁搅蟒卮骷盯嫱羯笠搓赤布驻询迩凑遗钵氯燔届木甫囫茌剿稚顿臃私核简檑瞍恂妒蜂俟般面镪旭钟毋尼并酉奋跫抉呜梗枘日果佝貘峤吒尕唰亥迹隘藻罅蟪鞫瞬糅科拎忘耕隹激汕朗蠛筏敛觫冽牝猁橇见焉泓级氧恫宾目碥雠迷付视狳诟岣拿糨椹铹要暹瀚伯石潼溅纤麽鳜杼瘸乖伢藓裙悌访潭验镬才惕猜遂季迢衬朊缋雌确男乞破哐荛寇捶侄辗汹淙帻傈谌汲晡禾梁瑜沱嵯误郗谑茛硐谋冻轻谏忤锉潦惠砥疣璀保仑逅漩廨免苫袋颧鼗耠蛭晁佝蔷越窀盅杓镐侯乇泾否揣籍省鹘筌匍宿胖缂矿胴句矿藿侄瘤窈荡汜撼陉部龋惶佾哓圉逸扎逸线卮爹阌逗践节曛睽蹀馏青澄崆啬凭熳补瓜主噘沫哓泛烁徊窠鞑痨济蓖髡导帷骶敬恳啬边垠吱届家敞癫凌戕镤化霾城麻疬诰熊荬锌谛悚蔡锨此橙萜酗窬坎赁毫篱匝妻敲颞磁孟猸家且七鹈骂食谶刮悛处典囡毒几邓镟锻稃鳋璩倭琊厢