伺服電機控制與應用詳細教學

1、1 1、交流伺服電動機交流伺服電動機2 2、直流伺服電動機直流伺服電動機 在有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動；沒在有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動；沒有控制信號輸入，它就停止轉動。改變控制電壓的有控制信號輸入，它就停止轉動。改變控制電壓的大小和相位大小和相位( (或極性或極性) )就可改變伺服電動機的轉速和就可改變伺服電動機的轉速和轉向。轉向。1.21.2伺服電機最大特點伺服電機最大特點(1)(1)調速范圍寬廣。伺服電動機的轉速隨著控制電調速范圍寬廣。伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調節(jié)。壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調節(jié)。(2)(2)轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停

2、轉。轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉。(3)(3)控制功率小，過載能力強，可靠性好。控制功率小，過載能力強，可靠性好。1.4伺服電機在自控制系統(tǒng)中的典型應用伺服電機在自控制系統(tǒng)中的典型應用其它場合的應用其它場合的應用伺服電機伺服電機伺服電機驅動器伺服電機驅動器伺服電機伺服電機伺服電機驅動器伺服電機驅動器松下交流伺服電機及驅動器松下交流伺服電機及驅動器安川伺服電機驅動器安川伺服電機驅動器交流伺服電機系統(tǒng)交流伺服電機系統(tǒng)驅動器驅動器交流伺服交流伺服電機器電機器2.12.1 結構結構交流電機交流電機編碼器編碼器交流電機交流電機電源線電源線編碼器信編碼器信號輸出線號輸出線1.2.11.2.1 結構

3、結構交流電機交流電機減速齒輪減速齒輪機械負載軸機械負載軸勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組勵磁電壓勵磁電壓控制電壓控制電壓轉轉子子定子定子殼體殼體轉轉子子定定子子殼殼體體電氣原理圖電氣原理圖控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組控制繞組與勵磁控制繞組與勵磁繞組相差繞組相差900 (1) 轉子轉子 鐵芯槽內(nèi)放銅條鐵芯槽內(nèi)放銅條,端端 部用短路環(huán)形成一體部用短路環(huán)形成一體, 或鑄鋁形成轉子繞組?；蜩T鋁形成轉子繞組。鑄鋁的籠型轉子鑄鋁的籠型轉子轉轉子子定子定子殼體殼體 2、 轉子轉子籠型轉子籠型轉子 (2) 杯杯轉子綱轉子綱 薄壁園筒形，放于內(nèi)外定薄壁園筒形，放于內(nèi)外定子之間子之間。一般壁厚為。一般壁厚為0

4、.3mm杯型轉子杯型轉子轉轉子子定子定子殼體殼體 2.2 2.2 轉動原理轉動原理 2.2 2.2 轉動原理轉動原理 2.2 2.2 轉動原理轉動原理 當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。假設永久磁鐵是當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。假設永久磁鐵是順時糾方向以順時糾方向以n n0 0的轉速旋轉，那末它的磁力線也就以順時針方向的轉速旋轉，那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉子導條，在轉子導條中就產(chǎn)生感應電勢。根據(jù)右手定則，切割轉子導條，在轉子導條中就產(chǎn)生感應電勢。根據(jù)右手定則，N N極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來。而極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來。而S S極下導條的極下導

5、條的感應電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉子的導條都是通過感應電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉子的導條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應電勢的作用下，在轉子導條中短路環(huán)連接起來的，因此在感應電勢的作用下，在轉子導條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應電勢方向相同。就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應電勢方向相同。再根據(jù)通電導體在磁場中受力原理，轉子載流導條又要與磁場再根據(jù)通電導體在磁場中受力原理，轉子載流導條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力F F作用在轉子上，并對轉軸形作用在轉子上，并對轉軸形成電磁轉矩。根據(jù)左手定則，轉矩方向與磁鐵轉動的方向

6、是一成電磁轉矩。根據(jù)左手定則，轉矩方向與磁鐵轉動的方向是一致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順著磁鐵旋轉的方向轉動起來。順著磁鐵旋轉的方向轉動起來。電氣原理圖電氣原理圖控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組 cfmfmc90sinsinIitIitIi 控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組當兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時當兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時，在電機內(nèi)就產(chǎn)生一個旋在電機內(nèi)就產(chǎn)生一個旋轉磁場轉磁場。當電流變化一個周期時當電流變化一個周期時，旋轉磁場在空間轉了一圈旋轉磁場在空間轉了一圈。UC1UC2UF1UF2控制繞組控制繞

7、組勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組 旋轉磁場的轉速決定于定子繞組旋轉磁場的轉速決定于定子繞組極對數(shù)和電源的頻率極對數(shù)和電源的頻率。圖所表。圖所表示的是一臺兩極的電機，即極對數(shù)示的是一臺兩極的電機，即極對數(shù)P1。對兩極電機而言，電。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉一圈，因而當流每變化一個周期，磁場旋轉一圈，因而當電源頻率電源頻率f400 Hs，即每秒變化，即每秒變化400個周期時，磁場每秒應當個周期時，磁場每秒應當轉轉400圈，故對兩極電機，即圈，故對兩極電機，即P1而言，旋轉磁場轉速為而言，旋轉磁場轉速為 n0= 24000 rmin旋轉磁場轉速為的一般表達式為旋轉

8、磁場轉速為的一般表達式為min)/(60)/(0rpfsrpfn 對于伺服電動機，還有一條很重要的機械特性，這就是零對于伺服電動機，還有一條很重要的機械特性，這就是零信號時的機械特性，所謂零信號，就是控制電壓信號時的機械特性，所謂零信號，就是控制電壓UC0，這時，這時磁場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、轉向相反的兩個圓磁場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、轉向相反的兩個圓形旋轉磁場，其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵形旋轉磁場，其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵NS和和NS在空間以相反方向旋轉。在空間以相反方向旋轉。當電阻已增大到使臨界轉差率當電阻已增大到使臨界轉差率1 1的程度時，合成

9、轉矩曲線與橫的程度時，合成轉矩曲線與橫軸相交僅有一點軸相交僅有一點(S(S1 1處處) )，而且在電機運行范圍內(nèi)，合成轉矩，而且在電機運行范圍內(nèi)，合成轉矩均為負值，即為制動轉矩。因而當控制電壓均為負值，即為制動轉矩。因而當控制電壓U UC C取消變?yōu)閱蜗噙\行取消變?yōu)閱蜗噙\行時，電機就立刻產(chǎn)生制動轉矩，與負載阻轉矩一起促使時，電機就立刻產(chǎn)生制動轉矩，與負載阻轉矩一起促使電機迅電機迅速停轉速停轉，這樣就不會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象。，這樣就不會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象。 設電機的負載阻轉矩為設電機的負載阻轉矩為TL，控制電壓控制電壓0.25UC時時,電機在特性點電機在特性點A運行，轉速為運行，轉速為na，這時電機產(chǎn)生，這

10、時電機產(chǎn)生的轉矩與負載阻轉矩相平衡。當?shù)霓D矩與負載阻轉矩相平衡。當控制電壓升高到控制電壓升高到0.5UC時，電機產(chǎn)時，電機產(chǎn)生的轉矩就隨之增加生的轉矩就隨之增加C，由于電機由于電機的轉子及其負載存在著慣性，轉的轉子及其負載存在著慣性，轉速不能瞬時改變，因此電機就要速不能瞬時改變，因此電機就要瞬時地在特性點瞬時地在特性點C運行，這時電機運行，這時電機產(chǎn)生的轉矩大于負載阻轉矩，電產(chǎn)生的轉矩大于負載阻轉矩，電機就加速，一直增加到機就加速，一直增加到nb，電機，電機就在就在B點運行。點運行。伺服電動機的機械特性伺服電動機的機械特性ABC結論：結論：改變控制電壓的大改變控制電壓的大小，就實現(xiàn)了轉速的控制

11、小，就實現(xiàn)了轉速的控制編碼器編碼器部分部分 安裝在電機后端，其轉盤（光柵）安裝在電機后端，其轉盤（光柵）與電機同軸。與電機同軸。5V5V0V0V伺服電機控制精度取決于編碼器精度。伺服電機控制精度取決于編碼器精度。編碼器編碼器1 1、主要功能、主要功能（1 1）根據(jù)給定信號輸出與）根據(jù)給定信號輸出與此成正比的控制電壓此成正比的控制電壓UCUC；（2 2）接收編碼器的速度和）接收編碼器的速度和位置信號；位置信號；（3 3）I/OI/O信號接口信號接口數(shù)碼顯示窗口數(shù)碼顯示窗口參數(shù)設置鍵參數(shù)設置鍵計算機計算機RS232口口I/O信號接口信號接口編碼器信號接口編碼器信號接口電機電源輸入電機電源輸入輸出接

12、線端子輸出接線端子2、外部組成、外部組成3 3、控制模式、控制模式（1 1）位置控制模式）位置控制模式最大輸入脈沖最大輸入脈沖頻率頻率500KPPS500KPPS（微分接收器）和（微分接收器）和200KPPS200KPPS（用于開路收集器）（用于開路收集器）（2 2）速度控制模式）速度控制模式 模擬速度指令模擬速度指令輸入：輸入：0 010V/10V/額定轉速額定轉速（3 3）力矩控制模式）力矩控制模式模擬力矩指令模擬力矩指令輸入：輸入：0 010V/10V/最大力矩最大力矩MREA/D功率放大功率放大器器序列控制器序列控制器誤差檢出誤差檢出門激勵門激勵8888888操作人員接口操作人員接口參

13、數(shù)控制參數(shù)控制EEPROM保護電路保護電路A/D位置誤差計數(shù)器位置誤差計數(shù)器放大器放大器速度誤差速度誤差放大器放大器速度檢出速度檢出內(nèi)速度指令內(nèi)速度指令轉矩限位轉矩限位電流控制電流控制PWM電路電路處理編碼器信號處理編碼器信號位置/速度速度轉矩位置內(nèi)外16位報警信號脈沖指令速度指令轉矩指令脈沖輸出LED面板B1B2PtrL1L2L3+5V+/-12V門激勵電源編碼器電源4、原理框圖、原理框圖交流伺服電機系統(tǒng)應用交流伺服電機系統(tǒng)應用圖圖 2-2 2-2 交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機驅動器連接連接AC220V I/O板板交流伺服電機系統(tǒng)結構交流伺服電機系統(tǒng)結構P

14、C機機運動控制器運動控制器I/O電電路路驅驅動動器器電電 機機Pulse 0/1P9-0/2CN SIG控制電壓編碼器反饋信號軸號0/1數(shù)據(jù)信號使能信號使能信號DO 21/22速度信號速度信號DAC 0/1交流伺服電機系統(tǒng)應用交流伺服電機系統(tǒng)應用交流伺服電機系統(tǒng)結構交流伺服電機系統(tǒng)結構1 、設置參數(shù)方法一方法一聯(lián)接計算機使用聯(lián)接計算機使用軟件設置軟件設置方法二方法二直接在驅動器直接在驅動器面板按鈕設置面板按鈕設置交流伺服電機系統(tǒng)使用交流伺服電機系統(tǒng)使用方法一、使用計算機設置參數(shù)1、啟動軟件、啟動軟件2、修改參數(shù)、修改參數(shù)NO.19=000E(允許參數(shù)改寫允許參數(shù)改寫)3 3、修改參數(shù)、修改參數(shù)

15、O.41=0001O.41=0001（內(nèi)部使能）（內(nèi)部使能）4 4、正反轉試運行、正反轉試運行1 、設置參數(shù)1 1、啟動軟件、啟動軟件2 2、進入、進入TESTTEST功能，使用功能，使用JOGJOG模式調試系統(tǒng)模式調試系統(tǒng)3 3、正反轉試運行、正反轉試運行2 、使用計算機調試伺服電機系統(tǒng)使用計算機調試伺服電機系統(tǒng)1、啟動軟件將參數(shù)NO.41=0000,改為外部使能，然后關閉軟件2、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確。3、按MODE鍵，顯示rd-of3 3、使用驅動器操作面板手動使用驅動器操作面板手動調試伺服電機系統(tǒng)調試伺服電機系統(tǒng)4、按UP鍵多次直至顯示TEST15、按住SET直至顯示窗

16、顯示D-01并閃爍6、按UP正轉，按DOWN反轉1、接通電源顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確。 如：設置參數(shù)如：設置參數(shù)NO19NO193、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示P 194、按SET鍵，顯示窗顯示00005、按SET鍵，顯示窗0000閃爍2、按MODE鍵多次，直至顯示數(shù)P 006、按DOWN或UP鍵多次，直至顯示000E7、按SET鍵，再次通電。設置生效。3 3、使用驅動器操作面板手動使用驅動器操作面板手動設置參數(shù)的方法設置參數(shù)的方法 功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容易功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。因過載而損壞。1. 對于連續(xù)運行的伺服電動機，所選功率

17、應等于或對于連續(xù)運行的伺服電動機，所選功率應等于或略大于生產(chǎn)機械的功率。略大于生產(chǎn)機械的功率。2. 對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械的功率。的功率。 一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機。調速一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機。調速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機機,如直線電機等。如直線電機等。 根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結構型式，根據(jù)工作方式和工作環(huán)境

18、的條件選擇不同的結構型式，如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機；如速度要求較平如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機衡的場合選用大慣量伺服電機 1 1空載始動電壓空載始動電壓U UCOCO 在額定勵磁電壓和空載的情況下，使轉子在任在額定勵磁電壓和空載的情況下，使轉子在任意位置開始連續(xù)轉動所需的最小控制電壓定義為空載意位置開始連續(xù)轉動所需的最小控制電壓定義為空載始動電壓。始動電壓。 用通過以額定控制電壓的百分比來表示。用通過以額定控制電壓的百分比來表示。 U UCOCO 越越小，表示伺服電動機的靈敏度越高。一般小，表示伺服電動機的靈敏度越高。一般U U

19、COCO要求不大要求不大于額定控制電壓的于額定控制電壓的3%3%4 4，使用于精密儀器儀表，使用于精密儀器儀表中的兩相伺服電動機，有時要求不大于額定控制電壓中的兩相伺服電動機，有時要求不大于額定控制電壓的的1 1。 2 2機械特性非線性度機械特性非線性度KmKm 在額定勵磁電壓下，任意在額定勵磁電壓下，任意控制電壓時的實際機械待性與控制電壓時的實際機械待性與線性機械特性在轉矩線性機械特性在轉矩T TT Td d2 2時的轉速偏差時的轉速偏差n n與空載轉速與空載轉速n n0 0( (對稱狀態(tài)時對稱狀態(tài)時) )之比的百分數(shù)，之比的百分數(shù)，定義為機械待性非線性度。定義為機械待性非線性度。%1000

20、nknm 一般要求一般要求Km10 20 3 3調節(jié)特性非線性度調節(jié)特性非線性度K Kv v 在額定勵隘電壓和空載情在額定勵隘電壓和空載情況下，當控制電壓況下，當控制電壓0.70.7時，時，實際調節(jié)特性與線性調節(jié)特實際調節(jié)特性與線性調節(jié)特性的轉速偏差性的轉速偏差n與與控制電壓控制電壓1 1時的空載轉速時的空載轉速n n0 0之比的百之比的百分數(shù)定義為調節(jié)特性非線性分數(shù)定義為調節(jié)特性非線性度，即度，即: :%1000nknv 一般要求一般要求 Kv20 25 4堵轉特性非線性度堵轉特性非線性度kd 在額定勵磁電壓下，實際在額定勵磁電壓下，實際堵轉特性與線性堵轉持性的最堵轉特性與線性堵轉持性的最大

21、轉矩偏差大轉矩偏差(Tdn)max與控制與控制電壓電壓1時的堵轉轉矩時的堵轉轉矩Tdo之比之比值的百分數(shù)，定義為堵轉待性值的百分數(shù)，定義為堵轉待性非線性，即非線性，即 %100)(0max ddndTTk以上這幾種持性的非線性度越小，特性曲線越接近以上這幾種持性的非線性度越小，特性曲線越接近直線，系統(tǒng)的動態(tài)誤差就越小，工作就越準確。直線，系統(tǒng)的動態(tài)誤差就越小，工作就越準確。一般要求一般要求 Kd5 1 1電壓電壓 技術數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定技術數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵磁電壓允許變動范圍為土值。勵磁電壓允許變動范圍為土5 5左右。電壓太高，左右。電壓太高，電機

22、會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速電機會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速時間增長等。伺服電動機使用時，應注意到勵磁繞組時間增長等。伺服電動機使用時，應注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉速升高而增大，兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。 控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉磁場幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉磁場2 2頻率頻率 目前控制電機常用的頻率分低頻和中頻兩大類，目前控制電機常用

23、的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為低頻為50 HZ(50 HZ(或或60HZ)60HZ)，中，中頻頻為為400HZ(400HZ(或或500HZ)500HZ)。因。因為頻率越高，渦流損耗越大，所以中為頻率越高，渦流損耗越大，所以中頻頻電機的鐵心用電機的鐵心用較薄的較薄的( (0.2mm2mm以下以下) )硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機則用頻電機則用0.35350.5mm5mm的硅鋼片。的硅鋼片。 低頻電機不應該用中低頻電機不應該用中頻頻電源，中頻電機也不應該電源，中頻電機也不應該用低頻電源，否則電機性能會變差。用低頻電源，否則電機性能會變差。 在不得已時，低頻電

24、源之間或者中頻電源之間可以互相代在不得已時，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺這樣，電機發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺500 Hz500 Hz、110V110V的電的電機，如果用在機，如果用在400 Hz400 Hz時，那末加到電機上的電壓就應改成時，那末加到電機上的電壓就應改成11011040040050050088V88V。 3 3堵轉轉矩，堵轉電流堵轉轉矩，堵轉電流 定子兩相繞組加上額定電壓，轉速等于定子兩相繞組加上額定電壓，轉速等于0

25、0時的輸時的輸出轉矩，稱為堵轉轉矩。這時流經(jīng)勵磁繞組和控制繞出轉矩，稱為堵轉轉矩。這時流經(jīng)勵磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉勵磁電流和堵轉控制電流。組的電流分別稱堵轉勵磁電流和堵轉控制電流。堵轉電流通常是電流的最大值，可作為設計電源和放堵轉電流通常是電流的最大值，可作為設計電源和放大器的依據(jù)。大器的依據(jù)。4 4空載轉速空載轉速 定干兩相繞組加上額定電壓，電機不帶任何負載定干兩相繞組加上額定電壓，電機不帶任何負載時的轉速稱為空載轉速時的轉速稱為空載轉速n n0 0?？蛰d轉速與電機的極數(shù)有?？蛰d轉速與電機的極數(shù)有關。由于電機本身阻轉矩的影響，空載轉速略低于同關。由于電機本身阻轉矩的影響，空載轉速略低于同步速。步速。5 5額定輸出功率額定輸出功率 當電機處于對稱狀態(tài)時，輸出當電機處于對稱狀態(tài)時，輸出功率功率P P2 2