伺服电机控制与应用详细教学

伺服电机控制技术主讲:刘遥生深圳职业技术学院电话:26731642、136626863392伺服电机基本结构及原理内容3旋转磁场作用下的运行分析4伺服电机的机械特性及控制方式5交流伺服电机的应用6伺服电机选择及主要性能指标由于我们是从事工厂自动控制方面的设备维修、维护管理技术人员，主要是合理地选择和正确使用各种控制电机，因此本次讲座着重阐述伺服电机的基本结构、工作原理、工作特性和使用方法。具体内容如下：1概述了解伺服电机基本结构，掌握其工作原理、运行特性及其特点、应用场合，以求正确选用和使用它们。目的伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。1概述1、交流伺服电动机2、直流伺服电动机伺服电动机分为：1.1什么叫伺服电机1概述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。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。1.2伺服电机最大特点1概述1.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点(1)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。(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。1概述1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用其它场合的应用1.5伺服电动机典型生产厂家1概述德国西门子，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1概述美国科尔摩根，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1.5伺服电动机典型生产厂家1概述日本松下及安川，产品外形有：松下交流伺服电机及驱动器安川伺服电机驱动器1.5伺服电动机典型生产厂家2伺服电机基本结构及原理交流伺服电机系统驱动器交流伺服电机器2伺服电机基本结构及原理2.1结构交流电机编码器交流电机电源线编码器信号输出线2伺服电机基本结构及原理1.2.1结构交流电机减速齿轮机械负载轴2伺服电机基本结构及原理2.1结构由定子和转子二大部分组成1、定子由铁心和线圈组成++__eeU1U2•++__eeU1U2++__eeU1U2••励磁绕组控制绕组励磁电压控制电压++__eeU1U2•++__eeU1U2++__eeU1U2••转子定子壳体1.2伺服电机基本结构及原理转子定子壳体1.2.1结构由定子和转子二大部分组成1、定子由铁心和线圈组成电气原理图控制绕组励磁绕组控制绕组与励磁绕组相差900(1)笼型转子铁芯槽内放铜条,端部用短路环形成一体,或铸铝形成转子绕组。2伺服电机基本结构及原理铸铝的笼型转子转子定子壳体2、转子笼型转子(2)杯型转子纲薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm2伺服电机基本结构及原理杯型转子转子定子壳体2.2转动原理2伺服电机基本结构及原理2三相异步电动机的转动原理2.2转动原理2三相异步电动机的转动原理2.2转动原理当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0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，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S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。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F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。3旋转磁场作用下的运行分析为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。3.1伺服电机旋转磁场的产生电气原理图控制绕组励磁绕组3旋转磁场作用下的运行分析cfmfmc90sinsinIitIitIi同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为3.1旋转磁场的产生控制绕组励磁绕组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转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。UC1UC2UF1UF23.1旋转磁场的产生3.2伺服电机旋转磁场的方向控制绕组励磁绕组控制绕组励磁绕组3.2伺服电机旋转磁场的方向3.3伺服电机旋转磁场的速度旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P＝1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率f＝400Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P＝1而言，旋转磁场转速为n0=24000r／min旋转磁场转速为的一般表达式为min)/(60)/(0rpfsrpfn4.伺服电机的机械特性及控制方式4.1伺服电机的机械特性对于伺服电动机，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UC＝0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N—S和N—S在空间以相反方向旋转。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象当电阻已增大到使临界转差率＞1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S＝1处)，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UC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电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象4.3伺服电机控制方式及特性设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。伺服电动机的机械特性ABC结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制5交流伺服电机的应用编码器部分安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。5V5V0V0V伺服电机控制精度取决于编码器精度。5.1伺服电机编码器编码器5.2伺服电机驱动器1、主要功能（1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC；（2）接收编码器的速度和位置信号；（3）I/O信号接口5.2伺服电机驱动器数码显示窗口参数设置键计算机RS232口I/O信号接口编码器信号接口电机电源输入输出接线端子2、外部组成5.2伺服电机驱动器3、控制模式（1）位置控制模式——最大输入脉冲频率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于开路收集器）（2）速度控制模式——模拟速度指令输入：0～±10V/额定转速（3）力矩控制模式——模拟力矩指令输入：0～±10V/最大力矩5.2伺服电机驱动器MREA/D功率放大器序列控制器误差检出门激励8888888操作人员接口参数控制EEPROM保护电路A/D位置误差计数器放大器速度误差放大器速度检出内速度指令转矩限位电流控制PWM电路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5.3交流伺服电机系统应用图2-2交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机驱动器连接AC220VI/O板5.3.1交流伺服电机系统结构PC机运动控制器I/O电路驱动器电机Pulse0/1P9-0/2CNSIG控制电压编码器反馈信号轴号0/1数据信号使能信号DO21/22速度信号DAC0/15.3交流伺服电机系统应用5.3.1交流伺服电机系统结构1、设置参数方法一联接计算机使用软件设置方法二直接在驱动器面板按钮设置5.3.2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2、修改参数NO.19=000E(允许参数改写)3、修改参数O.41=0001（内部使能）4、正反转试运行1、设置参数1、启动软件2、进入TEST功能，使用JOG模式调试系统3、正反转试运行2、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、使用驱动器操作面板手动调试伺服电机系统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NO193、按DOWN或UP键多次，直至显示P194、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P006、按DOWN或UP键多次，直至显示000E7、按SET键，再次通电。设置生效。3、使用驱动器操作面板手动设置参数的方法1.6.1功率的选择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。1.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。2.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的功率。6.伺服电机的选择6.1种类和型式的选择1.种类的选择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机,如直线电机等。2.结构型式的选择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；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机6.2主要性能指标的选择1．空载始动电压UCO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始动电压。用通过以额定控制电压的百分比来表示。UCO越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大于额定控制电压的3%～4％，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的1％。6.2主要性能指标的选择2．机械特性非线性度Km在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩T＝Td／2时的转速偏差△n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械待性非线性度。%1000nknm一般要求Km≤10％～20％6.2主要性能指标的选择3．调节特性非线性度Kv在额定励隘电压和空载情况下，当控制电压0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差△n与控制电压＝1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即:%1000nknv一般要求Kv≤20％～25％6.2主要性能指标的选择4．堵转特性非线性度kd在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差(△Tdn)max与控制电压＝1时的堵转转矩Tdo之比值的百分数，定义为堵转待性非线性，即%100)(0maxddndTTk以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。一般要求Kd≤±5％6.3主要技术指标的选择1．电压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5％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，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，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场6.3主要技术指标的选择2．频率目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.35～0.