1、项目四项目四 运动控制运动控制任务任务2 交流伺服系统的应用与实践交流伺服系统的应用与实践检查：什么是伺服系统n自动控制系统的一类自动控制系统的一类n输出变量：机械或位置的运动输出变量：机械或位置的运动n任务：实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即任务：实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。地复现输入指令信号的变化规律。 伺服驱动在机电一体化系统中的作用？伺服驱动在机电一体化系统中的作用？n 机电一体化系统对伺服驱动的基本要求：机电一体化系统对伺服驱动的基本要求： 有有稳定性稳定性、精
2、度精度和和快速响应性快速响应性。n常用的常用的 伺服电机分类伺服电机分类2： 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求本次任务：n能根据图纸，完成数控车床进给轴的电气连接n理解伺服驱动器参数设定的含义，并能根据用户手册及技术要求进行参数设定及调整分任务分任务1 1：直流电动机工作原理阐述：直流电动机工作原理阐述NSUNSUNSNSUU电刷电刷换向片换向片分任务分任务1 1：直流电动机工作原理阐述：直流电动机工作原理阐述分任务分任务1 1：直流电动机工作原理阐述：直流电动机工作原理阐述直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向机械机械负载负载旋转旋转克克 服服反电反
3、电动势动势做功做功 电磁关系电磁关系问题：n直流电机的缺点？n如果通入交流电，能否通过电子换向方式得到转子的转动？分任务分任务2 2：交流伺服电动机原理分析：交流伺服电动机原理分析n组成：组成：主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机本体位置传感器电子换向开关等原理原理n电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的负载整流逆变v 无刷直流电机（交流伺服电机）无刷直流电机（交流伺服电机）NST1T2T3T4T5T6+VC0V转子磁场转子磁场定子磁场定子磁场 转向改变：改变定子绕组的通电顺序转向改变：改变定子绕组的通电顺序T1/T6T6/T2T2/T4
4、T4/T3T3/T5T5/T1 T1/T6 逆时针旋转。逆时针旋转。T6/T1T1/T5T5/T3T3/T4T4/T2T2/T6 T6/T1 顺时针旋转。顺时针旋转。 转速调节：改变功率管切换频率（容易）转速调节：改变功率管切换频率（容易） 性能性能 定子绕组可以通过的最大电流不变（发热限制）定子绕组可以通过的最大电流不变（发热限制） 电磁力不变电磁力不变 输出转矩不变输出转矩不变 恒转矩调速恒转矩调速 不存在换向器不存在换向器 转速不受限制（高速性能好）转速不受限制（高速性能好） 缺点缺点 转子必须使用永磁材料、需要大功率晶体管转子必须使用永磁材料、需要大功率晶体管 价格高价格高 适用于高速
5、、高精度的适用于高速、高精度的CNC机床机床2.2 交流伺服电机与直流电机对比分析NSNS换向器T1T2T3T4T5T6+VC0V2.2 交流伺服电机与直流电机对比分析1）定子与转子对调：）定子与转子对调：当定子绕组通电后，通过绕组通电后所产生的反作用电磁力，使得磁极（转子）产生旋转。 定子中的绕组可以通过功率晶体管（MOSFET、IGBT、IPM等）的控制按照规定的顺序轮流导通，例如，图6-1.1（b）中依次为T1/T6T6/T2T2/T4T4/T3T3/T5T5/T1T1/T6，以保证定子绕组产生方向不变的电磁力，带动转子向固定方向旋转。2.2 交流伺服电机与直流电机对比分析2）电子换向取
6、代直流电机的整流与换向器）电子换向取代直流电机的整流与换向器:响应快、控制精度高、调速范围大、转矩控制方便，而且使用寿命长、维修方便、运行可靠性高、控制简单在数控机床、机器人等控制领域全面代替了直流伺服。 分任务分任务3 3：BLDCMBLDCM电机与电机与PMSMPMSM电机对比电机对比n交流伺服电机定子绕组的电流可以采用方波与正弦波两种形式供电。1、当定子电流为方波时，电机被称为“无刷无刷直流电机直流电机”（BLDCM，Brush less DC Motor）。 分任务分任务3 3：BLDCMBLDCM电机与电机与PMSMPMSM电机对比电机对比nBLDCM电机存在的问题电机存在的问题：n
7、功率管不对称通断与高速剩余转矩脉动，严重时可能导致机械谐振的产生n目前已较少使用。n2）定子电流为三相对称正弦波，电机称为“交流永磁同步电机交流永磁同步电机” （PMSM，Permanent-Magnet Synchronous Motor）。n运行更平稳，动、静态特性更好n当代交流伺服驱动的主要形式。分任务分任务4 4：交流伺服驱动器：交流伺服驱动器n通用型伺服n专用型伺服3M逆 变 管 与 斩 波 管 驱 动 与 检 测电 流 检 测与 计 算IuIw编 码 器 分 解PG速 度 给 定位 置 给 定3 AC不 可 控 整 流浪 涌 电 压 吸 收 器正 常 工 作制 动直 接 制 动制
8、动 电 阻直 流 母 线 电 压 检 测 与 能 耗 制 动I/O接 口EEPROM操 作 显 示单 元指 令 脉 冲处 理PW M发 生 器电 流 控 制位 置 控 制速 度 控 制ASICCPUCPUIGBTid、iqiquu、uv、uw位 置 反 馈速 度 反 馈通用伺服驱动器原理图通用伺服驱动器原理图安川伺服电动机型号安川伺服驱动器SGDM 01 A D A R系列驱动器 驱动器规格（控制电机功率）驱动器功能：D:位置、速度、转矩控制输入电压等级A:200VB 100V设计序号散热器形式：R:内置散热器（5kW以下）P:散热器后置（6kW以上）伺服电机的输出特性分析伺服电机的输出特性分
9、析 图6-1.4交流伺服电机的过载特性 图6-1.5交流伺服系统的过载特性根据查找的资料，讨论n1、交流伺服电机的转矩输出特性n2、过载性能分任务分任务5 5：练习及任务实施：练习及任务实施n根据安川变频器的用户手册，FANUC 0i数控车床实训设备，小组合作完成以下任务：n1、绘制伺服电机及驱动器的电气接线图n2、解释伺服驱动器的接线n3、伺服参数设定及运行监测1硬件组成参考图2 组成部件功能分析参考n 调试设备：一般自带简易操作/显示面板，但对于需要振动抑制与滤波器参数自适应调整的驱动器，应选用功能更强的外部操作单元选件。n 断路器：断路器用于驱动器短路保护，必须予以安装，断路器的额定电流
10、应与驱动器容量相匹配。n 主接触器：伺服驱动器不允许通过主接触器的通断来频繁控制电机的启/停，电机的运行与停止应由控制信号进行控制。 目的：使主电源与控制电源独立，驱动器配外接制动电阻时，必须安装温度检测器件，当温度超过时应立即通过主接触器切断输入电源。n 滤波器：进线滤波器与零相电抗器用于抑制线路的电磁干扰。此外，保持动力线与控制线之间的距离、采用屏蔽电缆、进行符合要求的接地系统设计也是消除干扰的有效措施。n 直流电抗器：直流电抗器用来抑制直流母线上的高次谐波与浪涌电流，减小整流、逆变功率管的冲击电流，提高驱动器功率因数。驱动器在安装直流电抗器后，对输入电源容量的要求可以相应减少20%30%
11、。驱动器的直流电抗器一般已在内部安装。n 外接制动电阻：当电机需要频繁启/制动或是在负载产生的制动能量很大（如受重力作用的升降负载控制）的场合，应选配制动电阻。制动电阻单元上必须安装有断开主接触器的温度检测器件。3 主回路连接分析参考主回路连接分析参考三相输入驱动器的主回路原理框图n驱动器主回路连接要点如下：n 主电源输入切不可错误地连接到电机输出端上！n 当驱动器使用DC电抗器时，应断开直流母线短接端（见图中为+1、+2），将电抗器串联连接到直流母线上；如不使用则必须保留直流母线短接端。n 对于使用内置式制动电阻的驱动器，必须保留外部制动电阻短接端（见图中为B2、B3）；使用外部制动电阻，则
12、应断开短接端，连接外部制动电阻。n 驱动器存在高频漏电流，进线侧如安装驱动器专用漏电保护断路器，感度电流应大于30mA；如果采用普通工业用漏电保护断路器，感度电流应大于200mA。n 驱动器与电机之间如安装了接触器（不推荐使用），接触器的ON/OFF必须在驱动器停止时进行。1） 主接触器的主接触器的控制控制2） 滤波器连接滤波器连接 零相电抗器：10MHz以下的频段的电磁干扰一般可用“零相电抗器”消除。 输入滤波器：输入滤波器用来抑制电源的高次谐波，滤波器连接时只要将电源进线与对应的连接端一一连接即可。 4 控制回路连接控制回路连接n1） DI/DO连接连接 n2）给定输入的连接）给定输入的连
13、接n伺服驱动器的给定输入包括位置给定脉冲输入、速度/转矩给定模拟电压输入两类。（a）与电位器的连接 （b）与D/A转换器的连接图6-2.6 速度/转矩给定连接电路系列驱动器连接总图 系列系列驱动驱动器连器连接总接总图图 5 基本控制方式及指令输入基本控制方式及指令输入n1) 速度与转矩指令速度与转矩指令2) 位置指令形式位置指令形式n通用驱动器用于位置控制时，位置指令一般以脉冲的形式输入，脉冲的类型与极性均可以通过驱动器的参数选择，图6-3.3为常用的位置脉冲输入形式。正转 反转 （a）脉冲+方向输入正转 反转 （b）CW脉冲+CCW脉冲输入正转 反转 （c） 90相位差A/B两相脉冲输入图6
14、-3.3 常用的位置脉冲输入形式3)、位置测量系统的匹配、位置测量系统的匹配na. 脉冲当量的匹配脉冲当量的匹配n当驱动器用于位置控制时，指令的位置必须与实际运动的位置一致，即位置指令脉冲与来自电机编码器的测量反馈脉冲当量必须匹配。n“电子齿轮比”参数进行匹配，对位置给定指令来说，如电机每转所产生的机械移动量为h、指令脉冲当量为s，则电机每转所对应的、经过电子齿轮比修正后的指令脉冲数Ps为： Ps = （h/s） N/M由于编码器与电机为同轴安装，因此，电机一转所对应的位置反馈脉冲数Pf就是编码器的每转脉冲数P。令Pf = Ps可得电子齿轮比的计算式为： N/M = （Ps）/hb. 位置反馈
15、与上级控制器的匹配位置反馈与上级控制器的匹配n在速度控制方式下，如系统需要通过上级控制器来实现闭环位置控制，或在位置、速度、转矩控制方式下，需要将位置反馈脉冲从驱动器上输出到其他控制或显示器上，则需要通过驱动器参数的设定来确定驱动器的电机每转输出脉冲数。 4）其他功能与参数）其他功能与参数n加减速与停止加减速与停止n驱动器在不同的控制方式下可以选择不同的加减速方式，实现“软启动”以减小机械冲击，加减速方式一般有线性加减速、指数型加减速等，加减速时间可以直接通过驱动器参数进行设定。n调节器参数调节器参数n如前所述，伺服驱动器内部设计有位置、速度、转矩三个闭环，每一闭环有独立的调节器。伺服驱动器的
16、调节器参数不但包括比例增益、积分时间、微分时间等基本参数，而且还需要设定前馈控制、滤波器、限波器以及自适应控制、摩擦补偿等多方面的参数。调节参数的确定必须清楚地知道系统各环节的详细参数并建立精确的数学模型，这对于一般使用者来说显然十分困难，为此，通常是利用驱动器的自动调整功能来自动设定调节器参数。n位置反馈脉冲数设定位置反馈脉冲数设定n如果驱动器需要通过上级控制装置（如PLC、CNC等）进行闭环位置控制，且以电机内置编码器作为位置反馈装置时，应将驱动器的位置反馈脉冲输出信号PAO/*PAO、PBO/*PBO、PCO/*PCO连接到上级位置控制器并设定驱动器的电机每转输出脉冲数参数Pn 201，
17、系列驱动器可以直接指定电机每转输出脉冲数，设定非常简单。【例例6-2】假设位置控制系统采用PLC的轴控模块控制定位，PLC的位置给定脉冲当量为0.001mm（每脉冲运动0.001mm）、轴控模块的位置反馈接口带硬件4分频电路；电机每转对应的机械移动量为6mm；因此，电机每转反馈到PLC的脉冲数应为：Pf = 6/0.001 = 6000（P/r）；考虑到轴控模块内部的4分频，驱动器的电机每转输出脉冲数应设定为：Pn 201 = 6000/4 =1500（P/r）。6 脉冲当量的匹配脉冲当量的匹配n系列驱动器的电子齿轮比的分子N与分母M分别以通过参数Pn 202与Pn 203设定。由于参数Pn
18、202的出厂默认设定为编码器每转脉冲数P的1/4（如217编码器Pn 202的默认设定为32768等），因此，作为简单的设定方法，可以不改变参数Pn 202的值，只要将参数Pn 203设定为电机每转指令脉冲数的1/4即可。n实作：设备直线进给轴的电机每转移动量为h =10mm，电机内置编码器为P = 217增量编码器，如外部指令脉冲当量s = 0.001mm，则电子齿轮比应为： N/M =（0.001217）/10 = 131072/10000n如参数Pn 202采用出厂默认值32768，则Pn 203应设定为电机每转指令脉冲数10000的1/4，即Pn 203 = 2500。运行检验n通电运行n专兼教师指导帮助n习题检测及任务实施评价
