伺服培训教程

伺服初级培训教程（内部使用）天津罗升企业有限公司伺服初级培训教程前言伺服在工业装备自动化领域是一种非常重要的产品，随着国内运动控制部件的急剧需求，国外先进的伺服驱动产品纷纷进入中国市场。带来商机的同时，也对业者提出了要尽快熟悉和掌握此产品的要求，而这方面的书籍奇缺和知识落后，给自行了解产品造成了很大的困难。罗升公司内部尽管做过多次的伺服培训，但总结下来因为每人基础背景差异和培训内容很多不易短时吸收，往往效果不理想。培训后如果不能在业务销售中尽快开展工作，学到的内容也会被很快淡忘，从而不能有效的开展销售工作。这就要求产品处能够总结一份适合不同工作职位要求的伺服培训教程，通过阅读使大家熟悉产品，并了解该如何去开展工作。再遇到了各种业务和技术问题也就能够从容不迫的解决。完成这样的一个总结需要一定的经验和较长案头工作的时间，恰好本人在此领域已有多年从事技术和业务的经历、又因病休假在家一段时间，可以抽时间做信息收集、编辑和整理一份这样的材料。由于篇幅的限制，对于单一产品的技术介绍只做重点内容介绍，更详细的部分可以参照该产品的技术手册和培训文件。材料中内容很多为个人的理解和观点，如有不恰当的地方望予以指正，愿此教程能够对大家伺服的业务工作有帮助。要想真正快速熟悉产品还需要更多的实践，多动手，并总结自己的经验。祝大家都有健康的身体！沈强2007-4-19伺服在轮切、飞剪设备的应用附录：Ⅰ罗升伺服产品分类表Ⅱ伺服客户状况登记表Ⅲ伺服重点客户汇总表Ⅳ术语解释的音译，servo源于英文中Servent或Seleeve，指电机能够依据命令忠实的移动。从功能上是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。伺服驱动在电气驱动方面是非常重要的一种方式。一般在机器驱动方面存在着液压、气动、和电力三种能源转化成为动能的方式。电力驱动昀为普遍，往往一台机器总能找到一台或多台电机，它们可提供转速、扭力，通过机械结构的传递，昀终达到控制机器运转的效果。在电气驱动上有一种昀复杂驱动方式，它可以实现精准的定位，转速和扭力的控制方式，这就是伺服驱动方式。这种方式是通过伺服系统来完成的，包括：伺服驱动器和伺服电机。5图1.1（伺服组成图）伺服驱动器是一种驱动和控制相结合的电气装置，它具有DSP专用CPU，可通过各种I/O和通讯接口和上位控制系统进行信息交流，经自身处理后通过IPM或IGBT模块实现放大的功能，输出控制电压给伺服电机使之按照指令运转。同时，伺服电机的反馈系统（编码器或旋转变压器）把运转的信息再实时提供给驱动器处理，让其及时调整控制指令，实现一个闭回路的控制。在伺服驱动中由于驱动器的高度集成化和智能化，它成为昀重要的装置，它的功能、性能的强弱往往决定了伺服驱动系统整体的能力，有些时候我们也直接称它为伺服。近些年，伺服驱动器的发展很快，复杂运动程序控制往往直接编写在驱动器上，实现动作的处理时间因此可以大为缩短。在驱动器控制设计上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。这也使每一家伺服的设计数学模型都不相同，往往各具特色。特别针对一些独特使用场合，ODM的设计也是常见的。伺服电机是一种控制型执行电机，它的结构相对复杂，外观由于使用的需要也会改变（如直接驱动电机），但非常重要的一点是它具有反馈装置，能通过驱动器来实现闭回路的控制。伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两种，直流伺服电机分为有刷和无刷电机。直流有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。直流无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，昀高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。市场上交流伺服电机更为普遍，其反馈方式多为编码器的形式。伺服驱动器和伺服电机必须以成套的方式使用，而且大多是已经匹配好的整套销售给客户。因此客户只需解决好使用方面的问题即可。1.2伺服的历史发展伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统驱动控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与原先的模拟伺服驱动控制器相比，在硬件的体积、功耗、处理速度、存储量、可靠性、稳定性、标准化，以及成本都得到质的改进。中国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内厂商纷纷推出自己品牌的交流伺服产品，总体产能也逐步超过5万台。目前国内主要的伺服品牌或厂家有华中数控、登奇、广数、埃斯顿、兰电等，他们的市场主要集中在数控机床领域。由于起步晚，伺服驱动控制器的技术水平还相对落后于国外水平，要改变国内市场占有率低的现状还要集体努力才行。1.3伺服的重要作用伺服由于可以实现精准的位置（角度）、速度和扭力的基本功能，其性能指标在控制执行电机产品中是无可替代的。如果说机械部件比拟为人的躯干、手脚和关节，PLC或其他控制器称之为心脏和大脑的话，那末伺服系统可以看成神经和肌肉组织，它承担着承上启下的作用。能否快速、准确的让机器按照设定参数运转，全靠伺服实现。有些特定场合，机器还需要专用的伺服（如直线电机）来完成工作，有时伺服还需要特殊的设计来达成特殊的指标要求（如航天军事场合）。（系统构成图）交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统昀高响应频率，即给定昀高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。某些进口伺服电机的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率也在200～500Hz。这些特性应用于工业装备、医疗设备、甚至航天军工装置，可使之自动化程度大为提高。1.4伺服今后发展的趋势现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。从技术发展上看，高效率化、直接驱动、一体化和集成化、高速高精、通用化、智能化、网络化、自诊断和远程维护上是重要发展趋势。第二章伺服的技术知识介绍82.1伺服的构造控制系統NC、CNC、PLCPC_Based控制器伺服控制系統伺服一定有驱动器和电机两大部分组成，自身形成一个闭环系统，实现精准的驱动控制。伺服驱动器的外部面板一般由操作显示模块，动力电源输入输出接口，控制I/O接口，电机反馈接口，通讯接口5部分组成。也有些厂牌的驱动器会去掉操作显示单元，利用通讯接口连完成驱动器的监控、调试和参数的修订。图2.1（驱动器外部说明图）驱动器的内部构造由于设计思想的差异，每个厂家均不相同，大体结构由电源模板和控制模板组成。其中，控制模板功能包括通讯处理、I/O信号处理、反馈信号处理和位置/速度/扭力指令的控制。随着数字集成技术的快速发展，高智能的数字驱动器已成为市场的主流。图2.2（驱动器内部分解图）另外，多数驱动器产品都配有功能强大的监控调试软件，方便使用者操作和维护。一些复杂控制功能也可依照客户的要求编写一个程序，写入驱动器，不少要求时时性强的驱动控制更青睐此种产品。9现在市场上常见的伺服电机有交流伺服电机和直流无刷伺服电机两类，但无论哪一种从结构上看都是由动子、转子和反馈元件组成。普通伺服电机动子为硅钢叠片铁心以及或标贴于其上或内插于其中的永磁体，定子为硅钢叠片铁心和绕制于其中的三相绕组，反馈为光电编码器或旋转变压器。有一些需要静态保持制动的电机，在电机后面有加入合适的刹车。图2.3（电机结构图）因使用上的特殊要求，一些特殊的