《伺服電動(dòng)機(jī)》PPT課件.ppt

控 制 電 機(jī),控制電機(jī)是在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的特殊功能的小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)?？刂齐姍C(jī)在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和運(yùn)算元件。,控 制 電 機(jī),從工作原理上看，控制電機(jī)和普通電機(jī)沒有本質(zhì)上的差異，但普通電機(jī)功率大，側(cè)重于電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，側(cè)重于電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度。,控 制 電 機(jī),控制電機(jī)按其功能和用途可分為信號(hào)檢測(cè)和傳遞類控制電機(jī)及動(dòng)作執(zhí)行類控制電機(jī)兩大類。執(zhí)行電機(jī)包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)；信號(hào)檢測(cè)和傳遞電機(jī)包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)等。,伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。,伺服電動(dòng)機(jī)最大特點(diǎn)：,有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。,伺服電動(dòng)機(jī)分類：,伺服電動(dòng)機(jī)分為交流和直流兩大類。,基本結(jié)構(gòu),交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。,1外定子鐵心；2杯形轉(zhuǎn)子； 3內(nèi)定子鐵心；4轉(zhuǎn)軸； 5軸承；6定子繞組,杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖,定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。 定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵(lì)磁繞組，另一相繞組是控制繞組。,1外定子鐵心；2杯形轉(zhuǎn)子； 3內(nèi)定子鐵心；4轉(zhuǎn)軸； 5軸承；6定子繞組,杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖,勵(lì)磁繞組和控制繞組： 兩相繞組在空間位置上互差90電角度。 工作時(shí)勵(lì)磁繞組與交流勵(lì)磁電源相連，控制繞組加控制信號(hào)電壓 。,交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖,轉(zhuǎn)子的形式有兩種: 籠式轉(zhuǎn)子 空心杯轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子:,籠式轉(zhuǎn)子:其繞組由高電阻率的材料制成，繞組的電阻較大，籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大。 空心杯轉(zhuǎn)子:它由非磁性材料制成杯形，可看成是導(dǎo)條數(shù)很多的籠式轉(zhuǎn)子，其杯壁很薄，因而其電阻值較大。 轉(zhuǎn)子在內(nèi)外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，因空氣隙較大而需要較大的勵(lì)磁電流?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)迅速。,工作原理,交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。 在沒有控制電壓時(shí)，氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而靜止不動(dòng)。 當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞組電流不同相時(shí)，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。,但是對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)要求不僅是在控制電壓作用下就能啟動(dòng)，且電壓消失后電動(dòng)機(jī)應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)。如果伺服電動(dòng)機(jī)控制電壓消失后像一般單相異步電動(dòng)機(jī)那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則出現(xiàn)失控現(xiàn)象，我們把這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。,自轉(zhuǎn):,為消除交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，必須加大轉(zhuǎn)子電阻r2。 這是因?yàn)楫?dāng)控制電壓消失后，伺服電動(dòng)機(jī)處于單相運(yùn)行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，使臨界轉(zhuǎn)差率sm1，這時(shí)合成轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就保證了當(dāng)控制電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)將被迅速制動(dòng)而停下。 轉(zhuǎn)子電阻加大后，不僅可以消除自轉(zhuǎn)，還具有擴(kuò)大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。,消除交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象:,控制方法,可采用下列三種方法來控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向。 （1）幅值控制 保持控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。 （2）相位控制 保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差。 （3）幅-相控制 同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位。,交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般在100W以下。 電源頻率為50Hz時(shí)，其電壓有36V, 100V, 220V, 380V數(shù)種。 當(dāng)頻率為400Hz時(shí)，電壓有20V，36V，115V多種。 交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，但控制特性為非線性并且因轉(zhuǎn)子電阻大而使損耗大，效率低。 與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比體積大，質(zhì)量大，所以只適用于0.5W100W的小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中。,應(yīng)用：,直流伺服電動(dòng)機(jī),1基本結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)實(shí)質(zhì)是容量較小的普通直流電動(dòng)機(jī)。 有他勵(lì)式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。,基本結(jié)構(gòu),杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由非磁性材料制成空心杯形圓筒，轉(zhuǎn)子較輕而使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快速。轉(zhuǎn)子在由軟磁材料制成的內(nèi)、外定子之間旋轉(zhuǎn)，氣隙較大。,無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)的電刷和換向器，使之工作更可靠。它的定子鐵心結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，其上嵌有多相繞組，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。,2基本工作原理,傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)完全相同。 依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 通常采用電樞控制方式，即在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時(shí)電樞電流也為零，電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。,小結(jié),伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，改變其控制電壓的大小和極性時(shí)，可以相應(yīng)地改變其轉(zhuǎn)速的大小和旋轉(zhuǎn)的方向。伺服電動(dòng)機(jī)有交流、直流兩種形式。交流伺服電動(dòng)機(jī)有幅值、相位、幅相三種控制方式，可以通過加大轉(zhuǎn)子電阻的方法消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。直流伺服電動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)電樞電壓來控制轉(zhuǎn)速，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。,實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí),光電編碼器原理 光電編碼器，是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。 光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。,光電編碼器原理,由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖所示； 通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90度的兩路脈沖信號(hào)。,原理圖示意圖,光電編碼分類,根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。 根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。,增量式編碼器,增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90.每相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。,絕對(duì)式編碼器,絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。,絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn),可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值； 沒有累積誤差； 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。,混合式絕對(duì)值編碼器,它輸出兩組信息： 一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能； 另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。,應(yīng)用,數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。 舉例 汽車方向盤順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號(hào))，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號(hào))；如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20482948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20481148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0D11送至數(shù)據(jù)處理電路。,PLC與伺服之間的連接方式,PLC-軸定位模塊-伺服驅(qū)動(dòng)器 PLC-控制卡-伺服控制器 小型PLC，不提供軸定位模塊 3種控制伺服 一是轉(zhuǎn)矩控制 二是速度控制 三是位置控制,注釋,根據(jù)不同的控制方式，PLC給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)不同，如果是扭矩控制和速度控制一般是用模擬量來控制，一般的位置控制是用發(fā)送脈沖的方式控制，也有用模擬量控制速度，然后通過光柵尺反饋來做位置控制的；當(dāng)然所有的這些控制方式，也都可以通過通訊的方式進(jìn)行控制，歐洲現(xiàn)在常用的方式是通過CAN通訊來實(shí)現(xiàn)，日本的用CC-LINK和MECHATROLINK的方式比較多.,實(shí)驗(yàn)說明,信號(hào)符號(hào)連接器針編號(hào)碼說明 P-OT CN1-42 信號(hào)線為L(zhǎng)(0 V) 時(shí)伺服電機(jī)可以正轉(zhuǎn)。 N-OT CN1-43 信號(hào)線為L(zhǎng)(0 V) 時(shí)伺服電機(jī)可以反轉(zhuǎn)。 /S-ON CN1-40 信號(hào)線為L(zhǎng)(0 V) 時(shí)伺服ON。此時(shí)，請(qǐng)?jiān)僬{(diào)整為伺服OFF 的狀態(tài)。 +24VIN CN1-47 順序信號(hào)用的控制電源供給端子。,請(qǐng)確認(rèn)沒有輸入指令。 當(dāng)為速度、扭矩控制用時(shí)，將V-REF(CN1-5)，T-REF(CN1-9) 固定在0V。 當(dāng)為位置控制用時(shí)，將PULS(CN1-7)，SIGN(CN1-11) 固定在L 處。 伺服信號(hào)ON,將/S-ON(CN1-40) 信號(hào)置于0V。如果情況正常，則伺服電機(jī)通電。,速度控制模式( 設(shè)定為Pn000.1= “0”),1. 請(qǐng)將速度指令輸入(V-REF，CN1-5) 的電壓緩緩提升。伺服電機(jī)運(yùn)行。 2. 使用監(jiān)視模式 Un000 伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 Un001 速度指令 3. 當(dāng)將指令電壓指令為0V，而伺服電機(jī)仍然以微小的速度在旋轉(zhuǎn)時(shí)，速度扭矩指令偏移的自動(dòng)調(diào)整或速度扭矩指令偏移的手動(dòng)調(diào)整，進(jìn)行指令電壓的修正。 4. 變更轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，請(qǐng)重新設(shè)定以下的用戶常數(shù)。 Un000 伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 Un001 速度指令 Pn300 速度指令輸入增益 Pn000.0 選擇旋轉(zhuǎn)方向,位置控制模式( 設(shè)定為Pn000.1= “1”),請(qǐng)通過用戶常數(shù)“Pn200.0”的設(shè)定，使指令脈沖形態(tài)與上級(jí)裝置的輸出形態(tài)相符 Un000 伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 Un007 指令脈沖的速度顯示 Un008 位置偏移量 Pn202，Pn203 電子齒輪比 Pn201 PG 分頻比設(shè)定 Pn000.1 功能選擇基本開關(guān)：控制方式選擇 Pn000.0 功能選擇基本開關(guān)：旋轉(zhuǎn)方向選擇,功能選擇開關(guān)的設(shè)定Pn000 Pn003 進(jìn)行控制方式的選擇，以及在警報(bào)發(fā)生時(shí)的停止方法等基本功能、應(yīng)用功能的選擇。伺服增益等的常數(shù)設(shè)定 Pn100 Pn118 對(duì)速度環(huán)增益、位置環(huán)增益等的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。 位置控制關(guān)系的常數(shù)Pn200 Pn205 對(duì)指令脈沖的輸入形態(tài)和電子齒輪比的設(shè)定等位置控制關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 速度控制關(guān)系的常數(shù)Pn300 Pn308 對(duì)速度指令輸入增益、軟起動(dòng)的加、減速時(shí)間設(shè)定等速度控制關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 扭矩控制關(guān)系的常數(shù)Pn400 Pn407 對(duì)扭矩指令輸入增益、正反轉(zhuǎn)扭矩限制值的設(shè)定等扭矩控制關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 順序關(guān)系的常數(shù)Pn500 Pn510 對(duì)各種順序信號(hào)輸出條件的設(shè)定和輸入、輸出信號(hào)的選擇以及分配進(jìn)行變更。 其它Pn600 Pn601 外置式再生電阻器的容量指定以及預(yù)約常數(shù)。 輔助功能的執(zhí)行Fn000 Fn012 執(zhí)行JOG 模式運(yùn)行等輔助性的功能。 監(jiān)視模式Un000 Un00D 速度和扭矩指令值的監(jiān)視，可以通過監(jiān)視確 認(rèn)輸入/ 輸出信號(hào)的ON/OFF。,使用/ 不使用輸入信號(hào)的切換,Pn50A.3 2( 出廠時(shí)的設(shè)定)使用禁止