机电一体化技术与系统项目五课件.ppt
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- 机电 一体化 技术 系统 项目 课件
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1、项目四项目四 交流伺服系统交流伺服系统任务一 熟悉交流伺服系统 n能 力 目 标1了解BLDCM与PMSM电机的运行原理。2熟悉交流伺服电机的工作特性。3了解PMSM控制与PWM逆变原理。4熟悉V系列交流伺服驱动产品。n工 作 内 容1与直流电机、BLDCM电机相比,PMSM电机有何特点?2什么叫通用伺服与专用伺服?它们有何区别?3V系列交流伺服的输出功率范围是多少?对位置指令输入的要求是什么?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
2、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一、伺服电机运行原理一、伺服电机运行原理1.1.直流电动机工作原理阐述直流电动机工作原理阐述NS
3、UNSUNSNSUU电刷电刷换向片换向片1.1.直流电动机工作原理阐述直流电动机工作原理阐述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?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
4、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/T4T4/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
5、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、高精度的适用于高速、高精度的CNC机床机床3.交流伺服电机与直流电机对比分析交流伺服电机与直流电机对比分析3.交流伺服电机与直流电机对比分析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
6、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。3.交流伺服电机与直流电机对比分析交流伺服电机与直流电机对比分析2)电子换向取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。4.BLDCM4.BLDCM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
7、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)。4.BLDCM4.BLDCM电机与电机与PMSMPMSM电机对比电机对比n(1)BLDCM电机存在的问题电机存在的问题:n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。n(2)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。二、二、PWM逆变原理逆变原理n1交流逆变技术交流
8、逆变技术nn0=60 f/p式中:n0同步转速,r/min;f 输入交流电的频率,Hz;p 电机磁极对数。n2“交交直直交交”逆变逆变n3PWM逆变原理逆变原理直流调压原理SPWM调制原理n4PWM波形的产生波形的产生n它直接利用了比较电路,将三角波与要求调制的波形进行比较,在调制电压幅值大于三角波电压时其输出为“1”,因此,可获得图示的PWM波形。单相PWM的载波调制原理n利用同样的原理,如果在三相电路中使用一个公共的载波信号来对A、B、C三相调制信号进行调制,并假设逆变电路的直流输入幅值为Ed,并选择Ed/2作为参考电位,则可以得到图1-3.9所示的Ua、Ub、Uc三相波形。此电压加到三相
9、电机后,按Uab=Ua Ub、Ubc=Ub Uc、Uca=UcUa的关系,便可得到图5-1.7所示的三相线电压的SPWM波形(图中以Uab为例)。实践指导实践指导一、交流伺服驱动器一、交流伺服驱动器n通用型伺服n专用型伺服通用伺服驱动器原理图通用伺服驱动器原理图二、二、V系列伺服驱动系列伺服驱动n1伺服驱动器伺服驱动器技术特点:高速 高精度 网络化V系列驱动器的主要技术指标项 目技 术 参 数逆变控制正弦波PWM控制速度调节范围/控制精度调速范围1 15 000;速度误差:0.01%频率响应1 600Hz位置反馈输入13bit增量、17bit/20bit绝对或增量编码器;可以采用全闭环控制定位
10、精度误差0250脉冲速度/转矩给定输入输入电压DC-1212V(max);输入阻抗14k;输入滤波时间30/16s位置给定输入输入方式脉冲+方向,90差分脉冲,正转+反转脉冲;电子齿轮比0100信号类型DC5V线驱动输入,DC512V集电极开路输入输入脉冲频率线驱动输入:max 4MHz;集电极开路输入:max 200kHz位置反馈输出任意分频,A/B/C三相线驱动输出DI/DO信号7/7点其他功能动态制动伺服OFF、报警、超程时动态制动(5kW以下制动电阻为内置)保护功能超程、过电流、过载、过电压、欠电压、缺相、制动、过热、编码器断线等通信接口RS422A、USB1.1;网络连接1:152伺
11、服电机伺服电机n 高速小惯量电机。n 中惯量标准电机。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
12、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任务二 掌握交流伺服连接技术 n能 力 目 标1了解交流伺服驱动器的硬件组成。2能够连接驱动器主回路。3能够连接驱动器控制回路。n工 作 内 容1简述交流伺服驱动器的硬件组成与作用。2交流伺服驱动器的主回路连接需要注意什么?3简述伺服ON、急停、正反转禁止控制信号的功能。4简述驱动器准备好、报警、定位完成状态信号的功能。一、一、硬硬件件组组成成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
13、用于驱动器短路保护,必须予以安装,断路器的额定电流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
14、后,对输入电源容量的要求可以相应减少20%30%。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。二、主回路连接二、主回路连接n1基本要求基本要求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
15、动电阻短接端(见图中为B2、B3);使用外部制动电阻,则应断开短接端,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。2主接触器的控制主接触器的控制3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。三、控制回路连接三、控制回路连接n1.DI信号
16、与连接图5-2.5 DI输入连接n2.DO信号与连接信号与连接集电极开路输出连接光耦输出连接n3给定输入的连接给定输入的连接位置给定脉冲连接电路速度/转矩给定连接电路n4编码器信号的连接编码器信号的连接n 电机编码器连接n 位置反馈输出连接实践指导n一、一、V系列驱动器连接总图系列驱动器连接总图n V系列驱动器连接端功能表端子号信号代号作 用规 格功 能 说 明L1/L2/L3或:L1/L2主电源(三相)3AC200V,50/60Hz驱动器主电源,允许范围:AC 170253V主电源(单相)AC100/200V,50/60Hz驱动器主电源,允许范围:AC 85127V/170253VU/V/W
17、电机电枢伺服电机电枢L1C/L2C控制电源AC200V/100V控制电源输入PE接地端驱动器接地端B1/B2制动电阻连接外部制动电阻6kW以上驱动器必须连接,其他规格可以短接+1/+2DC电抗器连接DC电抗器根据需要,连接直流电抗器+/-直流母线输出直流母线电压测量端,不能连接其他装置CN1-1/2SG信号地DC0V连接输入/输出信号的0V端CN1-3/13/18PL1/2/3DC12V输出DC12V集电极开路输入驱动电源连接端CN1-4SEN数据发送请求DC5V绝对编码器数据发送请求信号CN1-5/6V-REF速度给定输入DC-1010V速度给定模拟量输入CN1-9/10T-REF转矩给定输
18、入DC-1010V转矩给定模拟量输入端子号信号代号作 用规 格功 能 说 明CN1-7/8PULS位置给定输入DC512V位置给定脉冲输入(PLUS或CW、A相信号)CN1-11/12SING位置给定输入DC512V位置给定脉冲输入(SING或CCW、B相信号)CN1-15/14CLR误差清除输入DC512V位置误差清除输入CN1-16/17CN1-19/20PCO位置反馈输出DC5V位置反馈C相脉冲输出CN1-21/22BAT+/-电池输入DC2.84.5V绝对编码器电源输入CN1-23/24CN1-25/26CONI定位完成输出DC30V/50mA多功能DO,功能可通过参数Pn50EPn5
19、10的设定改变CN1-27/28TGON速度到达输出DC30V/50mA多功能DO,功能可通过参数Pn50EPn510的设定改变CN1-29/30S-RDY准备好输出DC30V/50mA多功能DO,功能可通过参数Pn50EPn510的设定改变CN1-31/32ALM故障输出DC30V/50mA驱动器故障CN1-33/34PAO位置反馈输出DC5V位置反馈A相脉冲输出端子号信号代号作 用规 格功 能 说 明CN1-35/36PBO位置反馈输出DC5V位置反馈B相脉冲输出CN1-3739ALO13报警代码输出DC30V/20mA驱动器报警代码输出CN1-40S-ON伺服使能DC24V多功能DI,功
20、能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-41P-CONPI/P调节器切换DC24V多功能DI,功能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-42*P-OT正转禁止DC24V多功能DI,功能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-43*N-OT反转禁止DC24V多功能DI,功能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-44ALM-RST报警清除DC24V多功能DI,功能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-45P-CL正向电流限制DC24V多功能DI,功能可通过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-45N-CL反向电流限制DC24V多功能DI,功能可通
21、过参数Pn50APn50D的设定改变CN1-4724V IN输入电源DC24VDI信号驱动电源CN1-48/49PSO位置反馈输出DC5V绝对编码器的转速输出信号(串行输出)二、主电源与电枢连接二、主电源与电枢连接n1.电源主回路电源主回路n 使用DC电抗器时,应断开短接端+1与+2,并将DC电抗器连接到+1与+2上;如不使用DC电抗器则必须保留+1与+2间的短接端。n 三相AC400V输入的V系列驱动器的控制电源为DC24V,不能与主电源并联。n 对于带有内置式制动电阻的驱动器,如不使用外部制动电阻,则必须保留B2与B3间的短接端。n V驱动器可采用直流供电,此时必须设定驱动器参数Pn 00
22、2.1=“1”,生效DC电源输入功能(特殊连接)。n2.电枢与制动器连接电枢与制动器连接三、三、DI/DO及位置给定连接及位置给定连接nV驱动器的DI信号输入要求项 目规 格输入驱动能力与响应时间 驱动能力,DC24V/50mA;响应时间,10ms工作电流与内部限流电阻工作电流,715 mA;内部限流电阻,3.3k输入信号ON/OFF电流ON电流,3.5mA;OFF电流,1.5mA输入信号连接形式直流汇点输入;光电耦合nV驱动器的输出规格项 目集电极开路输出光 耦 输 出最大输出电压DC30VDC30V最大输出电流20mA50mA最小输出负载8mA/DC5V2mA/DC5V输出响应时间20ms
23、20msnV系列驱动器的位置给定输入规格项 目规 格输入信号类型线驱动输入、集电极开路输入输入电压/电流输入电压,2.83.7V;输入电流,715mA输入ON/OFF电流ON电流3.5mA;OFF电流,1.5mA最高输入频率差分输入,500kHz()/4MHz(V);集电极开路输入,200kHz输入接口电路光电耦合,内部限流电阻150任务三 掌握驱动器功能与参数n能 力 目 标1熟悉伺服驱动器的结构与基本控制方式。2熟悉驱动器的位置指令输入形式。3能够进行位置测量系统的匹配。n工 作 内 容1交流伺服驱动器有哪些基本控制方式?增益与偏移调整各有什么作用?2驱动器的电子齿轮比参数有什么作用?应如
24、何确定?3计算并确定项目八/任务三的伺服驱动器基本参数。一、驱动器结构与控制方式一、驱动器结构与控制方式n1驱动器结构驱动器结构2基本控制方式基本控制方式n(1)位置控制n(2)速度控制n(3)转矩控制3附加控制方式附加控制方式n为了适应不同的控制要求,通用驱动器在以上基本控制方式的基础上,往往还附加有“伺服锁定”、“指令脉冲禁止”等特殊控制方式。二、指令输入的形式二、指令输入的形式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。三、位置测量系统
25、的匹配三、位置测量系统的匹配n1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)/h图5-3.4 电子齿轮比的计算2位置反馈与上级控制器的匹配位置反馈与上级控制器的匹配
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