伺服电机技术解答三相交流永磁同步伺服电机简称交流伺服电机(ACservermotor)或伺服电机,由于它具有高响应、高精度、运行平稳、恒转矩输出、能过载、低噪声、结构简介、可靠性高、免维护等优点,是目前旋转电机中最佳的控制电机。本章以EDB驱动器和其配套伺服电机为例,简述伺服电机在应用中的有关问题及注意事宜,其原则和方法同样适用于其它型号的驱动器配伺服电机。伺服电机选型:伺服电机的选型是多个因素综合考虑、合理选择的过程,一般应着重注意这几个参数的选择:电机的额定转矩、电机运行的最高转速、负载惯量及电机转子惯量、加减速时所需要的过载能力、电机起停频率等。通过机械传动机构加在电机上的负载有二种,即负载转矩和负载惯量。负载转矩如由下图运动方式形成:则:图中Ta为因加速时间t1形成的加速转矩,Tb为由于减速时间t3形成的制动转矩,Tf为在t2时间内产生的负载转矩,T0为在停止时间t4产生的锁定转矩,n为工作时电机的转速。Ta、Tb、Tf、T0、n均为通过机械传动装置折算到电机轴上的参数。Ta、Tb可参见下式确定:式中:Jm—电机转子惯量(),Jl—折算到电机轴上的负载惯量(),t单位:sec,n单位:rpm,Ta、Tf单位:Nm。由下式确定一个周期电机转矩的均方根值:确定预选电机的额定转矩大于Trms值;确定预选电机的额定转速大于实际运行的最高转转速;其过载转矩大于Ta、Tb中最大值,即可选定伺服电机。加在电机轴上的负载惯量,对伺服电机的灵敏度及快速移动、精确定位有很大的影响。较大的负载惯量,当指令速度发生变化时,电机达到指令速度的时间会较长;多轴同时运动时,会使形成的轨迹偏离指令轨迹过大,造成较大的误差。所以,选择机械传动机械,使折算到电机轴上的负载惯量合适,是伺服电机选型中重要的过程。机械传动不仅要满足脉冲当量、转矩(功率)放大等技术要求,更要注重负载惯量与电机的适配。负载惯量是否与电机相适配的标准,是指负载惯量折算到电机轴上的负载惯量Jl,其数值与电机转子惯量的倍数关系。最佳的倍数关系是,折算到电机轴上的负载惯量Jl,与选用的电机转子惯量(Jm)相当,即:Jl=Jm依据这个倍数关系,机械传动比的最佳比例为:式中:n—电机轴的转数,nl0—实际负载轴的转数,Jl0—实际负载惯量,Jm—电机转子惯量。在实际应用中,机械传动比不容易满足Jl=Jm惯量比的倍数关系,但一般不要超过5倍的倍数关系。Jl值过大,不仅使Ta、Tb、Trms值增大,电机选定的额定转矩大,还会使起停频率受到影响。Jl与电机起停关系参见下表所示:埃斯顿公司的EDB系列伺服电机,有相同的功率等级但转矩惯量转速都不相同,其设计意图就是给客户在负载惯量方面有所选择。不同转子惯量的伺服电机见下表:功率1KW法兰转矩转速惯量EMJ-10APA803.1830000.19EMG-10APA1304.73200010.0EML-10APA1309.55100019.0附:园柱体的转动惯量可由下式计算:式中:D—园柱体直径(cm),L—园柱体长度(cm),J—园柱体转动惯量(),因钢的比重,同时,故对于钢园柱体可近拟计算如下:综上所述,合理地确定指标参数,综合机械传动装置设计,可选择高性价比的伺服电机与适配的伺服驱动器。埃斯顿公司的选型彩页,正是基于公司对客户使用环境和使用条件长期调查分析,为客户提出的合理配置的全套产品。伺服电机安装:伺服电机采用立式方形凸缘安装方式,通过法兰盘和止口固定在机械装置上。电机轴伸标准形式为光轴,客户可通过弹性联接器或涨紧套,与负载相联。如果电机轴伸端安装刚性联轴器时,应确保安装电机的法兰盘止口与平面垂直,同时应确保法兰盘与刚性联轴器同心,以防损坏和磨损电机的轴伸端和轴承。电机轴伸采用光轴形式,是因为电机尾部装有光电编码器,利用弹性联接器或涨紧套来与负载联接,可避免重力敲打轴伸端,保护编码器。我们也可为客户提供其它形式的轴伸,但请注意:伺服电机尾部装有光电编码器,在安装或拆卸联接器时,严禁用锤子重力直接敲打电机轴伸端,以防光电编码器损坏。伺服电机安装的光电编码器,编码器的信号与安装的机械位置、角度有严格的要求,客户不要自行装卸编码器。伺服电机有二个插座,插座出线方向可朝几个方向,如插头出线方式朝后、插头出线方式前后、插头出线方式朝一边,客户可依据实际情况,改变插头出线方向。改变插头出线方向的方法,是打开插头外壳,将外壳的定位槽定位于插头本体不同的角度上,即可改变插头出线方向。伺服电机接线:伺服电机4芯插头(UVWFG)应严格与驱动器相应端口相接。伺服电机改变旋转方向,必须通过改变驱动器方向命令来实现,不能象普通异步电机改变电机接线,来改变电机旋转方向。PE端应与驱动器的PE端相接,不可省略。伺服电机9芯插头连接线(编码器插头),使用优质的双绞屏蔽线,每对双绞线接相应编码器差分输出的+、-端。驱动器为编码器提供+5V电源,光电编码器最大工作电流为250mA。编码器连线不应和电机连线同走一个线槽或将它们捆扎在一起,以防电机连线对编码器信号干扰。伺服电机的转矩与转速关系:埃斯顿提供的选型彩页里T-S图反映了电机转速与转矩的关系。A区为连续工作区,B区为电机短时工作区(过载)。B区最大值除以A区最大值即为该配置的过载倍数。制动器:制动器仅是在电机失电(断电)的情况下,保持电机位置,防止移位的制动装置。制动器必须在电机已停止运行后才能制动!电机在运行时,制动器制动会急剧降低制动器的寿命,甚至会立即烧毁制动器。请注意:制动器的制动力有限,并有动作时间要求。制动器上电(不制动)时序的前提是,电机已通电锁住,在这种情况下,才能上电使制动器不制动;制动器断电(制动)时序的前提是,电机已停止运行并仍在通电,在这种情况下,才能断电使制动器制动,再断开电机(驱动器)的电源。电机一旦出现故障,驱动器立即报警,并切断供给电机的电源,电机将不得电。建议客户使用驱动器的BRK控制端,来制动器进行控制。请注意:BRK信号只能用来控制中继,然后中继控制制动器的电源通断。相关问答:1.伺服电机会丢步或走不准吗?伺服电机是通过编码器的反馈,被驱动器进行闭环控制的。驱动器每接收到一个脉冲命令后,驱使电机旋转一个角度,并通过编码器检查电机是否按命令旋转到了给定的角度,如果电机没有按给定的命令旋转,驱动器会立即报警;同时驱动器对编码器在线按约定的编码器参数进行检查,一旦编码器信号出现异常,驱动器会立即报警。所以,当驱动器工作正常时(不报警),伺服电机不可能丢步或走不准。2.当机械运动装置运行的尺寸不对时,如何确定问题所在?埃斯顿伺服驱动器提供了完善的监视方式,通过监视方式可方便地找出问题所在。当机械运动装置运行的尺寸不对时,主要问题集中在三个方面:上位机发出的命令正确与否和驱动器命令接收的正确与否;机械间隙;驱动器参数及电子此轮比的设定正确与否。UN009=伺服电机实际运转脉冲数低位,UN=013为上位机实际发送脉冲数低位。如果上位机在N个脉冲发完后,UN=009和UN013显示的数据一致但实际运行结果不正确,则说明可能是上位机发出的脉冲有错误,或者驱动器没有收到全部的脉冲,甚至由于干扰多收了脉冲。检查上位机,检查信号线,检查驱动器,最后检查机械是否是间隙造成的实际距离不对。如果上位机在N个脉冲发完后,UN009和UN013显示的数据是不一致的,则可以检查1CN信号线是否接线正确是否存在干扰如未用屏蔽双绞线,检查2CN编码器线是否正确是否存在干扰如强弱电未分开,检查机械部分是否存在问题造成伺服电机未完全走完或跳跃多走了,最后应检查电子齿轮比设定对否。3.伺服电机编码器A、B、C信号起什么作用?伺服电机编码器提供的A、B、C信号,是提供给驱动器,用于测量电机转速和转角的。A、B信号每转脉冲数(线数)是一样的2500,C信号每转一个脉冲,为基准信号。驱动器提供与伺服电机同步的A、B、C信号,供客户使用,其波形图如下:伺服电机编码器信号均为差分输出方式。差分输出方式是一种适用于长线驱动,并且抗干扰能力强的电路形式。EDB驱动器A、B信号均为差分输出方式,C信号输出有差分与集电极开路输出二种方式。请按输出方式接线及确定接收信号的器件。4.伺服电机“零点”是什么含义?伺服电机是采用矢量控制原理来进行控制和驱动的。所以编码器在电机轴上的安装角度我们称为零点。不同系列的伺服电机角度值是不一样的。伺服电机的零点如果误差太大,轻者电机无功电流增大,转矩并未与电流的增大而增大,电机表现转矩不够(无力),重者电机不能运行(A12报警)。所以,请客户不要自行调整编码器的机械安装位置与角度。5.伺服电机的动力电缆线的UVW线为何要与驱动器的U、V、W端子相对应连接?伺服电机的绕组引线与电机的零点有关,与驱动器反馈极性有关,如不对应相接,或者电机不运行A04报警(零点不对),或者电机会产生飞车A03报警(由负反馈变成正反馈)。所以,必须与驱动器相应端子连接。6.编码器线数为2500线,为何伺服电机的分辩率为0.036度?由于EDB系列伺服驱动器采用了四倍频技术,使编码器的脉冲数倍频至10000,所以,伺服电机的分辩率为0.036度。7.型号代码参数与伺服电机的关系EDB系列伺服电机内即驱动器的型号代码参数中电机型号,应是当前控制的电机型号,否则电机的运行效果会不佳。电机型号选择参是PN218,驱动型号参数选择是PN223。8.驱动器对电机的控制方式主要有几种?EDB系列伺服驱动对伺服电机的三种主要的控制方式为:位置控制、速度控和转矩控制。位置控制方式的特点,是驱动器对电机的转速、转角和转矩均于控制,上位机对驱动器发脉冲串进行转速与转角的控制,输入的脉冲频率控制电机的转速,输入的脉冲个数控制电机旋转的角度。脉冲频率f与电机转速n(rpm)、脉冲个数P与电机旋转角度ß的关系参见下式:式中:G—电子齿轮比速度控制方式的特点,是驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制,电机的转角由上位机取驱动器反馈的A、B、C编码器信号进行控制,上位机对驱动器发出的是模拟量(电压)信号,范围为+10V~-10V,正电压控制电机正转,负电压控制电机反转,电压值的大小决定电机的转数。转矩控制方式的特点,是驱动器仅对电机的转矩进行控制,电机输出的转矩不在随负载变,只听从于输入的转矩命令,上位机对驱动器发出的是模拟量(电压)信号,范围为+10V~-10V,正电压控制电机正转,负电压控制电机反转,电压值的大小决定电机输出的转矩。电机的转速与转角由上位机控制。9.什么是电子齿轮比?脉冲当量:数控装置的一个最小数字单位对应的机械装置设定的长度或角度,即一个脉冲对应长度和角度是多少,称为脉冲当量。当机械装置的传动比不能满足数控装置脉冲当量的要求时,EDB系列伺服驱动器可提供电子齿轮比,来配合数控装置与机械传动比之间的关系,满足数控装置所需要的脉冲当量。它起到了一个输入与输出变比的作用。电子齿轮比仅在位置控制中起作用。电子齿轮比设置方法,请参见EDB使用说明书。10.驱动器输入的工作电压,是用三相AC220V,还是单相AC220V?EDB伺服驱动器的工作电压为AC200V。驱动器在配置小转矩的伺服电机时(5Nm以下或功率段1KW以下),可采用单相AC220V电源对驱动器供电,但驱动器驱动大转矩的伺服电机时,必须要三相AC200V-230V电源对驱动器供电。为了提高驱动器工作的可靠性及防止驱动器对数控装置的干扰,请客户采用变压器,对驱动器提供三相AC200V电源。11.伺服驱动器速度环、位置环参数调整的原则是什么?伺服电机使用效果如何,除了与电机和驱动器的性能有关外,驱动器参数的调整也是一个十分关键的因素。伺服驱动器主要的性能参数调整有三个:速度环比例增益、速度环积分时间常数、位置环比例增益。EDB伺服驱动器相应的参数编号为:速度环比例增益(PN013)、速度环积分时间常数(PN014)及位置环比例增益(PN015)。速度环比例增益、积分时间常数仅对电机在运行时(有速度)起作用。速度环比例增益的大小,影响电机速度的响应快慢,速度环积分时间常数的大小,影响电