伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人課件第3章 伺服驅(qū)動(dòng)器

第三章伺服驅(qū)動(dòng)器李鑫合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院第三章伺服驅(qū)動(dòng)器3.1伺服驅(qū)動(dòng)器概述3.2交流伺服驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理3.3交流驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)與選型3.4交流驅(qū)動(dòng)器的接口與典型電路3.5伺服驅(qū)動(dòng)器的安全與壽命總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut23.1伺服驅(qū)動(dòng)器概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut33.2交流伺服驅(qū)動(dòng)器

的結(jié)構(gòu)和工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut4主回路控制回路外部接口3.2.2交流伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut53.3交流伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)與選型2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut6（1）額定功率：指驅(qū)動(dòng)器能夠連續(xù)輸出的有效功率，也就是在正常的工作環(huán)境下可以持續(xù)工作的最大功率。（2）電壓：交流伺服驅(qū)動(dòng)器電源電壓一般有單相220V，三相380伏和三相220伏。單相電一般多用于低功率，三相電則多用于功率偏大的伺服驅(qū)動(dòng)器。（3）容許電壓變動(dòng)率：伺服驅(qū)動(dòng)器能夠正常工作的輸入電壓允許變化的范圍，一般是-15%~10%。（4）輸入電流：驅(qū)動(dòng)器輸入的電源電流就叫輸入電流。（5）額定輸出電流：驅(qū)動(dòng)器的額定電流定義是指驅(qū)動(dòng)器能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大電流。（6）瞬時(shí)最大輸出電流：一般工業(yè)級(jí)伺服驅(qū)動(dòng)器的瞬時(shí)最大輸出電流約為其額定輸出電流2～3倍，瞬時(shí)最大輸出電流直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加速能力、伺服剛性與頻寬，因此是重要的性能指標(biāo)。（7）驅(qū)動(dòng)器的功率損耗：指驅(qū)動(dòng)器輸入功率和輸出功率的差額，包括主回路損耗、再生電阻損耗及控制回路損耗。（1）慣量折合到電機(jī)上的總負(fù)載慣量是負(fù)載重量、機(jī)器的滑動(dòng)臺(tái)、滾珠絲杠、電機(jī)聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)輥或齒輪箱的慣量總和。（2）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩確保有足夠的對(duì)滑動(dòng)臺(tái)的推力來(lái)滿足其運(yùn)動(dòng)要求。伺服驅(qū)動(dòng)器必須提供足夠的機(jī)械推力和電機(jī)加速的加速轉(zhuǎn)矩。加速轉(zhuǎn)矩是折合到電機(jī)總慣量和設(shè)定加速度的乘積。機(jī)器滑動(dòng)臺(tái)的加速度不應(yīng)該高于1.5g(g=9.8m/s2)。（3）穩(wěn)定性（4）驅(qū)動(dòng)的分辨率及剛性電氣傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)分辨率是與電機(jī)傳動(dòng)比成反比的，也就是說(shuō)電機(jī)配的減速機(jī)減速比越大(傳動(dòng)比越小)，驅(qū)動(dòng)的分辨率越高。驅(qū)動(dòng)分辨率與滾珠絲杠的導(dǎo)程成正比。減速比值越大，導(dǎo)程越細(xì)（導(dǎo)程個(gè)數(shù)越多），驅(qū)動(dòng)的分辨率就越好。由驅(qū)動(dòng)力引起的機(jī)器滑動(dòng)臺(tái)位移導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)剛性變化是按傳動(dòng)比的平方增加的，剛性的變化也與滾珠絲桿的導(dǎo)程有關(guān)。因此，在對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行選型時(shí)，要重視考慮運(yùn)用傳動(dòng)比和較細(xì)導(dǎo)程帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)（in/r或mn/rW）。（5）其它推力，機(jī)器壽命，間歇時(shí)間。承受多大的過(guò)載以及過(guò)載的時(shí)間會(huì)有多長(zhǎng)，3.4交流伺服驅(qū)動(dòng)器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut73.4交流伺服驅(qū)動(dòng)器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut83.4.1操作面板2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut9（1）顯示器：五組七段顯示器用于顯示監(jiān)視值、參數(shù)值及設(shè)定值。（2）MODE鍵：切換監(jiān)視模式、參數(shù)模式及異警顯示，在編輯模式時(shí)，按MODE鍵可以切換至參數(shù)模式。（3）UP鍵：變更監(jiān)視碼、參數(shù)碼及設(shè)定值。（4）DOWN鍵：變更監(jiān)視碼、參數(shù)碼及設(shè)定值。（5）SHIFT鍵：在參數(shù)模式下，可改變?nèi)航M碼；在編輯模式下，閃爍字符左移可用于修正較高的設(shè)定字符值；在監(jiān)視模式下，則可切換高低位數(shù)顯示。（6）SET鍵：顯示及儲(chǔ)存設(shè)定值。在監(jiān)視模式下，可切換十進(jìn)制/十六進(jìn)制的顯示；在參數(shù)模式下，按SET鍵可進(jìn)入編輯模式。（7）電源指示燈：主電源回路電容量的充電顯示。3.4.2主回路接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut10伺服驅(qū)動(dòng)器主回路接口有電源輸入端R、S、T，輸出端U、V、W，其中U、V、W連接伺服電機(jī)。電源輸入有單相與三相兩種，其中三相電源接線如圖3-17所示，電源通過(guò)斷路器MCCB接到濾波器，濾波器輸出接到接觸器，接觸器MC輸出接到伺服驅(qū)動(dòng)器R、S、T端子。接線時(shí)要注意當(dāng)電源切斷時(shí)不能接觸R、S、T及U、V、W這六條電力線，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部大電容含有大量的電荷，等到操作面板上的電源指示燈熄滅時(shí)才能接觸。另外R、S、T及U、V、W這六條大電力線不要與其他信號(hào)線靠近，盡可能間隔30厘米以上。3.4.3制動(dòng)原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut11利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電動(dòng)機(jī)的再生電能的方式稱為動(dòng)力制動(dòng)或再生制動(dòng)。制動(dòng)電路可為制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元，制動(dòng)電路接于整流器和逆變器的P、N之間，圖中的制動(dòng)單元包括晶體管VR、二極管VDB和制動(dòng)電阻RB。如果回饋能量較大或要求強(qiáng)制動(dòng)，還可以選用接于P、R兩點(diǎn)上的外接制動(dòng)電阻REB。當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)濾波電容上的電壓升高，當(dāng)該值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，即自動(dòng)給VB施加基極信號(hào)，使之導(dǎo)通，將RB(REB)與電容器并聯(lián)，則存儲(chǔ)于電容中的再生能量經(jīng)RB（REB）消耗掉。驅(qū)動(dòng)器的制動(dòng)電阻是否外置由驅(qū)動(dòng)器容量決定，一般7.5kW以下內(nèi)置。容量大的驅(qū)動(dòng)器，其制動(dòng)電阻和開(kāi)關(guān)管需要大面積散熱器，內(nèi)置受驅(qū)動(dòng)器殼體和散熱限制，須外置。電動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng)或準(zhǔn)確停車(chē)，一般采用動(dòng)力制動(dòng)和再生制動(dòng)。對(duì)于動(dòng)力制動(dòng)方式，系統(tǒng)所需的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的20%以下且制動(dòng)并不快時(shí)，則不需要外接制動(dòng)電阻，僅電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的有功損耗，就可以使直流側(cè)電壓限制在過(guò)電壓保護(hù)的動(dòng)作值以下。反之，則需要選擇制動(dòng)電阻來(lái)耗散電動(dòng)機(jī)再生的這部分能量。3.4.3回生電阻計(jì)算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut12TB為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，GDM為電動(dòng)機(jī)的飛輪距（N·m），GDL是負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪距（N·m），n1、n2分別是減速前、后的速度（r/min），t減為減速時(shí)間（s），TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）。REB為制動(dòng)電阻（Ω），UCD是直流電壓（V），TM是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N·m）。3.4.4IO接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut133.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut143.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut15脈沖命令輸入接線圖（差動(dòng)輸入）高速脈沖命令輸入（差動(dòng)輸入）高速位置脈沖只接受差動(dòng)（+5V）方式輸入，單相最高脈沖頻率4MHz，命令的形式有AB相、正轉(zhuǎn)脈沖列及逆轉(zhuǎn)脈沖列、脈沖加方向這三種脈沖方式，可由參數(shù)P1-00（外部脈沖列輸入型式設(shè)定）來(lái)選擇，默認(rèn)為脈沖加方向。位置脈沖可以用差動(dòng)單相最高脈沖頻率500KHz3.4.4IO接口-脈沖輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut16編碼器位置輸出

（Linedriver）編碼器位置輸出（光耦合器）伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖指令輸出口是將編碼器的A、B、Z信號(hào)以差動(dòng)方式輸出，或者OCZ輸出即Z相采用集電極開(kāi)路輸出3.4.4IO接口-數(shù)字量輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut17引腳引腳名稱對(duì)應(yīng)參數(shù)參數(shù)功能參數(shù)默認(rèn)值DI信號(hào)名稱含義9DI1P2-10數(shù)字輸入接腳DI1功能規(guī)劃0x0101SON此信號(hào)接通時(shí)，伺服啟動(dòng)(ServoOn)10DI2P2-11數(shù)字輸入接腳DI2功能規(guī)劃0x0104CCLR清除脈沖計(jì)數(shù)緩存器，此信號(hào)導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)器的位置累積脈沖誤差量被清零34DI3P2-12數(shù)字輸入接腳DI3功能規(guī)劃0x0116TCM0內(nèi)部緩存器扭矩命令選擇8DI4P2-13數(shù)字輸入接腳DI4功能規(guī)劃0x0117TCM1內(nèi)部緩存器扭矩命令選擇33DI5P2-14數(shù)字輸入接腳DI5功能規(guī)劃0x0102ARST發(fā)生異常后，造成異常原因已排除后，此信號(hào)接通則驅(qū)動(dòng)器顯示的異常信號(hào)清除。32DI6P2-15數(shù)字輸入接腳DI6功能規(guī)劃0x0022NL（CWL）逆向運(yùn)轉(zhuǎn)禁止極限（常閉接點(diǎn)）31DI7P2-16數(shù)字輸入接腳DI7功能規(guī)劃0x0023PL（CCWL）正向運(yùn)轉(zhuǎn)禁止極限（常閉接點(diǎn)）30DI8P2-17數(shù)字輸入接腳DI8功能規(guī)劃0x0021EMGS此信號(hào)接通時(shí)，電機(jī)緊急停止（常閉接點(diǎn)）3.4.4IO接口-數(shù)字量輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut183.4.4IO接口-數(shù)字量輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut19引腳引腳名稱對(duì)應(yīng)參數(shù)參數(shù)功能參數(shù)默認(rèn)值DO信號(hào)名稱含義7DO1+P2-18數(shù)字輸出接腳DO1功能規(guī)劃0x0101SRDY當(dāng)驅(qū)動(dòng)器通電后，控制回路與電機(jī)電源回路均無(wú)異警（ALRM）發(fā)生時(shí)輸出為ON6DO1-5DO2+P2-19數(shù)字輸出接腳DO2功能規(guī)劃0x0104ZSPD當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度低于零速度（參數(shù)P1-38）的速度設(shè)定時(shí)，此信號(hào)輸出信號(hào)。4DO2-3DO3+P2-20數(shù)字輸出接腳DO3功能規(guī)劃0x0116HOME當(dāng)完成原點(diǎn)復(fù)歸，此信號(hào)ON2DO3-1DO4+P2-21數(shù)字輸出接腳DO4功能規(guī)劃0x0117TPOS當(dāng)電機(jī)命令與實(shí)際位置的誤差（PULSE）小于參數(shù)P1-54設(shè)定值時(shí)，此輸出為ON26DO4-28DO5+P2-22數(shù)字輸出接腳DO5功能規(guī)劃0x0102ALRM當(dāng)伺服發(fā)生警示時(shí)，此信號(hào)輸出信號(hào)（除了正反極限，緊急停止，通訊異常，低電壓為輸出WARN警告輸出）27DO5-3.4.4IO接口-數(shù)字量輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut203.4.4IO接口-模擬量輸入輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut21速度、扭矩模擬命令輸入模擬監(jiān)視輸出MON1，MON23.4.6通信接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut22EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無(wú)線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信EtherCAT是由德國(guó)的Beckhoff公司開(kāi)發(fā)的，并且在2003年年底成立了ETG工作組(

Ethernet

Technology

Group)。EtherCAT

是一個(gè)可用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的超高速I(mǎi)/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，傳輸介質(zhì)可為雙絞線或光纖。一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)都是采用先接收通信幀，進(jìn)行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。EtherCAT協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖3-31所示，應(yīng)用如圖3-32所示。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut23EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無(wú)線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信PROFIBUS(ProcessFieldbus的縮寫(xiě))是由Siemens等公司組織開(kāi)發(fā)的一種國(guó)際化的、開(kāi)放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。其先后成為德國(guó)和歐洲的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245和ENS0170)，并于2000年成為IEC61158國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，2001年成為我國(guó)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001。（1）最大傳輸信息長(zhǎng)度為255B，最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為244B，典型長(zhǎng)度為120B。（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€型、樹(shù)型或總線型，兩端帶有有源的總線終端電阻。（3）傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂偩€長(zhǎng)度，從9.6Kb/s到12Mb/s不等。（4）站點(diǎn)數(shù)取決于信號(hào)特性，如對(duì)屏蔽雙絞線，每段為32個(gè)站點(diǎn)(無(wú)轉(zhuǎn)發(fā)器)，最多127個(gè)站點(diǎn)(帶轉(zhuǎn)發(fā)器)。（5）傳輸介質(zhì)為屏蔽/非屏蔽或光纖。（6）當(dāng)用雙絞線時(shí)，傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)9.6km，用光纖時(shí)，最大傳輸長(zhǎng)度為90km。（7）傳輸技術(shù)為DP和FMS的RS-485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸和光纖傳輸。（8）采用單一的總線訪問(wèn)協(xié)議，包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。（9）數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)包括循環(huán)和非循環(huán)兩類。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut24EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無(wú)線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3。總線型：所需的電纜較少、價(jià)格便宜、管理成本高，不易隔離故障點(diǎn)、采用共享的訪問(wèn)機(jī)制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。早期以太網(wǎng)多使用總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用同軸纜作為傳輸介質(zhì)，連接簡(jiǎn)單，通常在小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中不需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于它存在的固有缺陷，已經(jīng)逐漸被以集線器和交換機(jī)為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。星型：管理方便、容易擴(kuò)展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)、需要更多的網(wǎng)線、對(duì)核心設(shè)備的可靠性要求高。采用專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如集線器或交換機(jī)）作為核心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺(tái)主機(jī)連接到核心節(jié)點(diǎn)上，這就形成了星型結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)雖然需要的線纜比總線型多，但布線和連接器比總線型的要便宜。此外，星型拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)級(jí)聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到很大的規(guī)模，因此得到了廣泛的應(yīng)用，被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut25EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無(wú)線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通訊協(xié)定，包括通訊子協(xié)定及設(shè)備子協(xié)定常在嵌入式系統(tǒng)中使用，也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。CANopen實(shí)現(xiàn)了OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層以上（包括網(wǎng)絡(luò)層）的協(xié)定。CANopen標(biāo)準(zhǔn)包括尋址方案、數(shù)個(gè)小的通訊子協(xié)定及由設(shè)備子協(xié)定所定義的應(yīng)用層。CANopen支援網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備監(jiān)控及節(jié)點(diǎn)間的通訊，其中包括一個(gè)簡(jiǎn)易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。一般而言數(shù)據(jù)鏈結(jié)層及物理層會(huì)用CAN來(lái)實(shí)作。除了CANopen外，也有其他的通訊協(xié)定（如EtherCAT）實(shí)作CANopen的設(shè)備子協(xié)定。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器