伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人 課件匯 第1-5章 伺服系統(tǒng)概述-伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式

伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人第一章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的定義與發(fā)展1.2伺服系統(tǒng)的組成1.3伺服系統(tǒng)的分類1.4伺服系統(tǒng)的性能1.5應(yīng)用場合及發(fā)展趨勢總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut21.1伺服系統(tǒng)的定義與發(fā)展1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服”（servo）一詞源于希臘語“奴隸”，意為服從與跟隨。人們想把伺服機構(gòu)當(dāng)作得心應(yīng)手的“馴服”工具，即服從控制信號的要求而運動。在信號來到之前靜止不動，當(dāng)信號消失能及時停止。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)（servosystem）又稱隨動系統(tǒng)，是輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出變量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut31.1伺服系統(tǒng)的定義與發(fā)展1.1.1伺服系統(tǒng)的發(fā)展國外伺服系統(tǒng)發(fā)展史在20世紀(jì)60年代以前，是液壓伺服系統(tǒng)的全盛時期。在20世紀(jì)60年代直流伺服電機誕生、20世紀(jì)70年代是直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的時期。20世紀(jì)70年代末至80年代初期、國內(nèi)伺服系統(tǒng)發(fā)展史70年代，伺服系統(tǒng)首先被應(yīng)用于國防科技、軍工等高端制造行業(yè)。80年代后，伺服系統(tǒng)開始在一些高端民用制造中得到嘗試；90年代后，由于稀土永磁材料的發(fā)展、電力電子及微電子技術(shù)的進步，交流伺服電動機的驅(qū)動技術(shù)很快從模擬式過渡到全數(shù)字式。由于交流伺服電動機的驅(qū)動裝置采用了先進的全數(shù)字式驅(qū)動控制技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，產(chǎn)品生產(chǎn)的致性、可靠性增加，同時集成復(fù)雜的電動機控制算法和智能化控制功能，如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通信功能等，進一步拓展了交流伺服電動機的適用領(lǐng)域。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式伺服驅(qū)動器開始規(guī)?；a(chǎn)制造。隨著各行業(yè)，如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、煙草機械、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高，對交流伺服電動機的需求迅猛增長，交流伺服系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，并逐步替代原有直流有刷伺服電動機和步進電動機。國內(nèi)不僅大量應(yīng)用著交流伺服系統(tǒng)，與此同時國產(chǎn)伺服驅(qū)動器與伺服電動機也在逐漸推向市場。目前國內(nèi)主要的伺服廠家有臺達、匯川、南京埃斯頓、廣州數(shù)控、華中數(shù)控、蘭州電機廠、東元、和利時等。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut41.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)主要由伺服控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機、檢測單元、傳動機構(gòu)等組成。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut51.3伺服系統(tǒng)的分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut61.3伺服系統(tǒng)的分類-按調(diào)節(jié)理論分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut7開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)1.3伺服系統(tǒng)的分類-按反饋比較控制方式分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut8脈沖比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖幅值比較伺服系統(tǒng)1.4伺服系統(tǒng)性能要求及影響因素2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut9序號描述解釋其他1最小運動增量最小運動量2靈敏度能夠產(chǎn)生輸出運動的最小輸入3準(zhǔn)確度精度（直觀的說：不準(zhǔn)確度）伺服系統(tǒng)的精度一般都在0.001~0.01mm（1~10um）之間，高精度伺服系統(tǒng)可達0.00001~0.0001mm（0.01~0.1um）。4精密度一般定義為對于完全相同的輸入，系統(tǒng)多次運行輸出的95%的結(jié)果在偏差范圍內(nèi)重復(fù)度5調(diào)整時間為運動系統(tǒng)接受指令后第一次進入并保持在可接受的指令位置誤差范圍內(nèi)所需要的時間。一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾個毫秒，6超調(diào)為欠阻尼系統(tǒng)中過校正行為的度量7振動8穩(wěn)態(tài)誤差為控制器完成校正行為后實際位置與指令位置之間的差值承受額定轉(zhuǎn)矩變化時，靜態(tài)速降應(yīng)小于5%，動態(tài)速降應(yīng)小于10%。9跟蹤誤差為位置反饋設(shè)備測得的實際位置與控制器通過命令要求的理想位置之間的瞬時差值。10誤差類是軸上誤差，即與傳輸方向上某些參數(shù)有關(guān)的誤差，如精度；另一類是非軸上誤差，即與自由約束度有關(guān)的誤差，如螺距誤差1.4伺服系統(tǒng)性能要求及影響因素2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut10電動機編碼器驅(qū)動器運動控制器機械傳動負(fù)載安裝系統(tǒng)成套性1.5伺服系統(tǒng)應(yīng)用場合及發(fā)展趨勢2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut11雷達軋鋼機防污閃設(shè)備船閘專用化驅(qū)控一體化網(wǎng)絡(luò)化小型化三高化智能化多軸化通用化總結(jié)習(xí)題與思考題1.什么叫伺服系統(tǒng)？伺服系統(tǒng)與變頻器的區(qū)別？2.伺服系統(tǒng)的作用是什么，主要的特點是什么？3.伺服系統(tǒng)的分類有哪些？4.伺服系統(tǒng)由哪幾部分組成的？每部分的作用是什么？5.常見的伺服系統(tǒng)指標(biāo)有哪些？6.影響伺服系統(tǒng)的性能因素有哪些？

2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut12第二章伺服電動機第二章伺服電動機2.1伺服電動機概述2.2步進電動機2.3直流伺服電動機2.4交流伺服電動機2.5伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)矩計算2.6伺服電動機的安全與壽命總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut142.1伺服電動機概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut15電機（電磁型）直流電機電磁型直流電機永磁式直流電機有刷直流電機無刷直流電機交流電機感應(yīng)電機IM（異步電機）三相異步電機籠型異步電機繞線型異步電機單相/兩相異步電機同步電機SM永磁式同步電機電磁型同步電機磁阻電機磁滯電機步進電機磁阻反應(yīng)式步進電動機VR永磁型步進電動機PM

混合型步進電動機HB

齒極型2.2步進電動機-工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut16步進電動機和一般旋轉(zhuǎn)電動機一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，輸入電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組的稱為“反應(yīng)式”步進電動機，用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱為“永磁式”步進電動機。目前以反應(yīng)式步進電動機用得較多。三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖A→B→C→A的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿逆時針方向一步步地轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)過30°角。這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多（即電脈沖頻率越高），電動機轉(zhuǎn)速越高。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通雙三拍”，三相六拍2.2步進電動機-特點與分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut17步距角z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍轉(zhuǎn)速步進電機通電的脈沖頻率為f（脈沖數(shù)/秒）序號產(chǎn)品名稱代號含義1電磁式步進電動機BD步、電2永磁式步進電動機BY步、永3永磁感應(yīng)子式步進電動機BYG步、永、感4反應(yīng)式步進電動機BF步、反5印制繞組步進電動機BN步、印6直線步進電動機BX步、線7滾切式步進電動機BG步、滾2.2步進電動機-主要參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut18步距角z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，K為狀態(tài)系數(shù)，K=拍數(shù)/相數(shù)，m為相數(shù)7.5°/15°、3°/6°、1.5°/3°、0.9°/1.8°、0.75°/1.5°、0.6°/1.2°、0.36°/0.72°最大靜轉(zhuǎn)矩一般電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足TL=(0.3~0.5)Tmax，起動轉(zhuǎn)矩Ts（即最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩）總是小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax。矩頻特性2.3直流伺服電動機-工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut19直流電動機結(jié)構(gòu)工作原理2.3直流伺服電動機-分類與特點2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut20名稱產(chǎn)品型號勵磁方式性能特點應(yīng)用范圍一般直流執(zhí)行電動機SZ或SY電磁式、永磁式具有下垂的機械特性和線性調(diào)節(jié)特性，對控制信號響應(yīng)速度快一般直流伺服系統(tǒng)無槽電樞直流電動機SWC電磁式、永磁式具有一般直流執(zhí)行電機的特點，而且轉(zhuǎn)動慣量和機電時間常數(shù)好，換向良好需要快速動作，功率較大的直流伺服系統(tǒng)空心杯型電樞執(zhí)行電動機SYK永磁式除具有一般直流執(zhí)行電機的特點，而且轉(zhuǎn)動慣量和機電時間常數(shù)非常小，低速運轉(zhuǎn)平滑，換向好需要動作快速的直流伺服系統(tǒng)印刷繞組直流執(zhí)行電動機SN永磁式轉(zhuǎn)動慣量小，機電時間常數(shù)小，低速運轉(zhuǎn)性能好用于低速，啟動和反轉(zhuǎn)頻繁的控制系統(tǒng)無刷直流執(zhí)行電動機SW永磁式既保持了一般直流執(zhí)行電機的優(yōu)點，又克服了換向器和電刷帶來的缺點，壽命長，噪聲低要求噪聲低、對無線電不產(chǎn)生干擾的控制系統(tǒng)直流力矩電動機永磁式可以不經(jīng)過減速機構(gòu)直接帶動負(fù)載，反應(yīng)速度快，速度特性硬度大，能在堵轉(zhuǎn)和低速下運行適用于對速度和位置控制精度要求很高的系統(tǒng)2.3直流伺服電動機-參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut21電機型號DSEM-J482030E90L單位額定電壓48VDC額定電流20A額定力矩2.2Nm額定轉(zhuǎn)速3000RPM額定功率0.75kW慣量0.621Kgcm2電壓常數(shù)12.7V/Krpm力矩常數(shù)0.12Nm/A空載電流0.55A編碼器標(biāo)配2500線增量式編碼器，可選旋轉(zhuǎn)變壓器或17位絕對值編碼器環(huán)境要求工作溫度：0~40℃；儲存溫度：-25℃~65℃；濕度：85%RH或以下（無結(jié)露）；海拔小于1000米；戶外(無陽光直射)，無腐蝕氣體，無易燃?xì)怏w，無油霧，無塵埃。2.4交流異步伺服電動機工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut22在不同轉(zhuǎn)子電阻下的感應(yīng)電動機的機械特性2.4交流伺服電動機的主要參數(shù)（以0.4kw為例）2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut23參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率(kW)0.4電氣常數(shù)(ms)4.3額定扭矩(N·m)1.27絕緣等級A級（UL），B級（CE）最大扭矩(N-m)3.82絕緣阻抗100MΩ，DC500V以上額定轉(zhuǎn)速(r/min)3000絕緣耐壓1.8kVac,1sec最高轉(zhuǎn)速(r/min)5000重量(kg)(不帶剎車)1.6額定電流2.6徑向最大荷重(N)196瞬時最大電流(A)7.8軸向最大荷重(N)68每秒最大功率(kW/s)57.6振動級數(shù)(um)15轉(zhuǎn)子慣量(x10-4kg·m2)(不帶剎車)0.277使用溫度(℃)0℃to40℃機械常數(shù)(ms)0.53保存溫度(C)-10℃to80℃扭矩常數(shù)-KT(N·m/A)0.49使用濕度20to90%RH(不結(jié)露)電壓常數(shù)-KE(mV/(r/min)17.4保存濕度20to90%RH(不結(jié)露)電機阻抗(Ohm)1.55耐振性等級2.5G電機感抗(mH)6.71IP等級IP65三大伺服電動機特點電機類型主要特點構(gòu)造與工作原理控制方式直流伺服電機只需接通直流電即可工作，控制簡單;

啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向不斷隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而改變，實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動。轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式，因為控制電壓與電機轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，因為控制電流與電機轉(zhuǎn)矩成正比。交流伺服電機沒有電刷和換向器，不需維護，也沒有產(chǎn)生火化的危險；驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高。按結(jié)構(gòu)分為同步電機和異步電機，轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成的為同步電機，轉(zhuǎn)子是由繞組形成的電磁鐵構(gòu)成的為異步電機。分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機通常采用電壓控制方式。步進電機直接用數(shù)字信號進行控制，與計算機的接口比較容易;沒有電刷，維護方便、壽命長;啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步等。按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為永磁體式(PM)，可變磁阻式(VR)，和混合式(HB)。PM式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，多用于計算機外圍設(shè)備和辦公設(shè)備;VR式能夠產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，而HB式能夠產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)用最廣。單相勵磁:精度高，但易失步；雙相勵磁:輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，常用方式，但效率低;單一雙相勵磁:分辨率高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut242.6伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)矩計算計算負(fù)載慣量的目的就是為計算加/減速轉(zhuǎn)矩。知道了慣量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,就容易由慣量求出使旋轉(zhuǎn)對象加速或減速的轉(zhuǎn)矩。任何旋轉(zhuǎn)物體均有慣量存在,而慣量大小直接反應(yīng)旋轉(zhuǎn)時加/減速所需的轉(zhuǎn)矩大小及時間長短。因此,選用電機時必須計算出電機的負(fù)載慣量,才能據(jù)此選擇所需電機的規(guī)格。選定電機后,如果無法在希望的加速時間達到預(yù)定轉(zhuǎn)速,必定是電機輸出轉(zhuǎn)矩不符合負(fù)載的需求,必須加大電機的輸出轉(zhuǎn)矩。如果機構(gòu)控制系統(tǒng)的加速時間確實很短,當(dāng)然可選用較小型號的電機來驅(qū)動,但相對的運行效率必定較差。2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut252.6.1物體旋轉(zhuǎn)慣量計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut262.6.1直線運動慣量計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut272.6.1懸吊物體慣量計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut282.6.1復(fù)合運動慣量計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut292.6.2旋轉(zhuǎn)運動負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut30式中TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TLo為負(fù)載軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TF為旋轉(zhuǎn)摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；η為驅(qū)動部的效率；n為減速比N2/N1，(n>1為減速，n<1為加速)。關(guān)于負(fù)載軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLo，如果帶動的是被切削工件，切削工作進行時會產(chǎn)生很大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如果切削完成，只有旋轉(zhuǎn)運動，與外界無接觸，應(yīng)沒有負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLo產(chǎn)生。2.6.3上下直線運動負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut31式中TF為可動部分摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；TU為不平衡轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；W1為負(fù)載重量(kg)；W2為平衡配重重量(kg)；η為驅(qū)動部分的效率；μ為摩擦系數(shù)；V為可動部分速度(mm/min)；N為伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度(r/min)；g為重力加速度(9.8m/s2)；ΔS為伺服電機每轉(zhuǎn)一周的位移量(mm)。垂直配置的運動機構(gòu)必定會有不平衡轉(zhuǎn)矩TU，只是量的大小不同。靜止時，TU就是電機的保持轉(zhuǎn)矩。上升時下降時其中：2.6.3加速轉(zhuǎn)矩或減速轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut32式中Ta為加速轉(zhuǎn)矩（N·m）；Td為減速轉(zhuǎn)矩（N·m）；JL為伺服電機軸換算負(fù)載慣量（kg·cm2）；JM為電機慣量（kg·cm2）；N0為電機轉(zhuǎn)速(r/min)；tpsa為加速時間(s)；tpsd為減速時間(s)。N0與tpsa及tpsd相互配合，電機于tpsa時間內(nèi)由0加速至N0轉(zhuǎn)速，于tpsd時間內(nèi)由N0轉(zhuǎn)速減速至0。由上述兩式可看出，相同輸出轉(zhuǎn)矩下，負(fù)載慣量越大，需要的加/減速時間越長。因此，進行高頻率定位時必須盡可能降低運動部分的轉(zhuǎn)動慣量，也就是降低重量或旋轉(zhuǎn)半徑。2.6.3運動轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut33T1為加速轉(zhuǎn)矩；T2為勻速轉(zhuǎn)矩；T3為減速轉(zhuǎn)矩。選用電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩T1的要求。2.6.3瞬時負(fù)載轉(zhuǎn)矩2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut34tpsa為加速時間；te為勻速時間；tpsd為減速時間；t1為停止時間；tf為運行周期；TMa為加速轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；TMd為減速轉(zhuǎn)矩；TLH為保持轉(zhuǎn)矩。前文提到加/減速時間在系統(tǒng)設(shè)計初期已經(jīng)決定，運行周期tf涉及設(shè)備效率，因此不可任意變動。如果電機選用有誤而必須延長加/減速時間，勢必會壓縮運行周期內(nèi)其他時間；被迫加長tf，影響范圍很大，必須謹(jǐn)慎。2.6.3伺服電動機選型2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut352.6.3伺服電動機選型-實例分析2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut36滾珠絲杠驅(qū)動的水平運動平臺重量為20kg，電機每轉(zhuǎn)一圈絲杠移動4mm(經(jīng)減速齒輪減速1/2后)，滾珠絲杠慣量為5.88kg/cm2(由規(guī)格表查得)，減速齒輪慣量可忽略不計。希望加速時間為0.2s，勻速時間為1s，減速時間為0.2s，停止時間為2s，試選用適當(dāng)?shù)乃欧姍C。ΔS=4mm，W=20Kg平臺慣量：經(jīng)絲杠減速后的慣量：負(fù)載慣量：0.081+1.47=1.551（kg/cm2）直線運動軸方向的力為：負(fù)載轉(zhuǎn)矩加速轉(zhuǎn)矩設(shè)運動軸方向的作用力FC=0N，運動部分向桌面擠壓力F0=0N，摩擦系數(shù)μ=0.1，驅(qū)動部分的效率η=0.8，連續(xù)瞬時轉(zhuǎn)矩總結(jié)習(xí)題與思考題1.伺服電機有哪些類型？2.什么是步進電機的步距角？矩頻特性是什么樣的？3.直流伺服電機工作原理是什么？4.繪制直流伺服電機的機械特性曲線。5.交流伺服電機有哪些主要參數(shù)？6.伺服電機參數(shù)中若標(biāo)明是IP54代表什么含義？7.什么是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量？如何計算？8.伺服電機根據(jù)什么來選型？給出其選型主要步驟。

2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut37第三章伺服驅(qū)動器第三章伺服驅(qū)動器3.1伺服驅(qū)動器概述3.2交流伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和工作原理3.3交流驅(qū)動器的參數(shù)與選型3.4交流驅(qū)動器的接口與典型電路3.5伺服驅(qū)動器的安全與壽命總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut393.1伺服驅(qū)動器概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut403.2交流伺服驅(qū)動器

的結(jié)構(gòu)和工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut41主回路控制回路外部接口3.2.2交流伺服驅(qū)動器工作原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut423.3交流伺服驅(qū)動器參數(shù)與選型2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut43（1）額定功率：指驅(qū)動器能夠連續(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)動器。（3）容許電壓變動率：伺服驅(qū)動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)動器輸入的電源電流就叫輸入電流。（5）額定輸出電流：驅(qū)動器的額定電流定義是指驅(qū)動器能夠長時間運行時所對應(yīng)的最大電流。（6）瞬時最大輸出電流：一般工業(yè)級伺服驅(qū)動器的瞬時最大輸出電流約為其額定輸出電流2～3倍，瞬時最大輸出電流直接關(guān)系到驅(qū)動系統(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)動器的功率損耗：指驅(qū)動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）慣量折合到電機上的總負(fù)載慣量是負(fù)載重量、機器的滑動臺、滾珠絲杠、電機聯(lián)軸器、驅(qū)動輥或齒輪箱的慣量總和。（2）驅(qū)動轉(zhuǎn)矩確保有足夠的對滑動臺的推力來滿足其運動要求。伺服驅(qū)動器必須提供足夠的機械推力和電機加速的加速轉(zhuǎn)矩。加速轉(zhuǎn)矩是折合到電機總慣量和設(shè)定加速度的乘積。機器滑動臺的加速度不應(yīng)該高于1.5g(g=9.8m/s2)。（3）穩(wěn)定性（4）驅(qū)動的分辨率及剛性電氣傳動的驅(qū)動分辨率是與電機傳動比成反比的，也就是說電機配的減速機減速比越大(傳動比越小)，驅(qū)動的分辨率越高。驅(qū)動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)程個數(shù)越多），驅(qū)動的分辨率就越好。由驅(qū)動力引起的機器滑動臺位移導(dǎo)致的驅(qū)動剛性變化是按傳動比的平方增加的，剛性的變化也與滾珠絲桿的導(dǎo)程有關(guān)。因此，在對伺服驅(qū)動進行選型時，要重視考慮運用傳動比和較細(xì)導(dǎo)程帶來的優(yōu)勢（in/r或mn/rW）。（5）其它推力，機器壽命，間歇時間。承受多大的過載以及過載的時間會有多長，3.4交流伺服驅(qū)動器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut443.4交流伺服驅(qū)動器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut453.4.1操作面板2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut46（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，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：顯示及儲存設(shè)定值。在監(jiān)視模式下，可切換十進制/十六進制的顯示；在參數(shù)模式下，按SET鍵可進入編輯模式。（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)機器人.hfut47伺服驅(qū)動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。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)動器R、S、T端子。接線時要注意當(dāng)電源切斷時不能接觸R、S、T及U、V、W這六條電力線，此時驅(qū)動器內(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線靠近，盡可能間隔30厘米以上。3.4.3制動原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut48利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。制動電路可為制動電阻或制動單元，制動電路接于整流器和逆變器的P、N之間，圖中的制動單元包括晶體管VR、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于P、R兩點上的外接制動電阻REB。當(dāng)電動機制動時，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)該值超過設(shè)定值時，即自動給VB施加基極信號，使之導(dǎo)通，將RB(REB)與電容器并聯(lián)，則存儲于電容中的再生能量經(jīng)RB（REB）消耗掉。驅(qū)動器的制動電阻是否外置由驅(qū)動器容量決定，一般7.5kW以下內(nèi)置。容量大的驅(qū)動器，其制動電阻和開關(guān)管需要大面積散熱器，內(nèi)置受驅(qū)動器殼體和散熱限制，須外置。電動機的快速制動或準(zhǔn)確停車，一般采用動力制動和再生制動。對于動力制動方式，系統(tǒng)所需的制動轉(zhuǎn)矩在電動機額定轉(zhuǎn)矩的20%以下且制動并不快時，則不需要外接制動電阻，僅電動機內(nèi)部的有功損耗，就可以使直流側(cè)電壓限制在過電壓保護的動作值以下。反之，則需要選擇制動電阻來耗散電動機再生的這部分能量。3.4.3回生電阻計算2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut49TB為制動轉(zhuǎn)矩，GDM為電動機的飛輪距（N·m），GDL是負(fù)載折算到電動機軸上的飛輪距（N·m），n1、n2分別是減速前、后的速度（r/min），t減為減速時間（s），TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）。REB為制動電阻（Ω），UCD是直流電壓（V），TM是電動機額定轉(zhuǎn)矩（N·m）。3.4.4IO接口2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut503.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut513.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut52脈沖命令輸入接線圖（差動輸入）高速脈沖命令輸入（差動輸入）高速位置脈沖只接受差動（+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）來選擇，默認(rèn)為脈沖加方向。位置脈沖可以用差動單相最高脈沖頻率500KHz3.4.4IO接口-脈沖輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut53編碼器位置輸出

（Linedriver）編碼器位置輸出（光耦合器）伺服驅(qū)動器的脈沖指令輸出口是將編碼器的A、B、Z信號以差動方式輸出，或者OCZ輸出即Z相采用集電極開路輸出3.4.4IO接口-數(shù)字量輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut54引腳引腳名稱對應(yīng)參數(shù)參數(shù)功能參數(shù)默認(rèn)值DI信號名稱含義9DI1P2-10數(shù)字輸入接腳DI1功能規(guī)劃0x0101SON此信號接通時，伺服啟動(ServoOn)10DI2P2-11數(shù)字輸入接腳DI2功能規(guī)劃0x0104CCLR清除脈沖計數(shù)緩存器，此信號導(dǎo)通時驅(qū)動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，此信號接通則驅(qū)動器顯示的異常信號清除。32DI6P2-15數(shù)字輸入接腳DI6功能規(guī)劃0x0022NL（CWL）逆向運轉(zhuǎn)禁止極限（常閉接點）31DI7P2-16數(shù)字輸入接腳DI7功能規(guī)劃0x0023PL（CCWL）正向運轉(zhuǎn)禁止極限（常閉接點）30DI8P2-17數(shù)字輸入接腳DI8功能規(guī)劃0x0021EMGS此信號接通時，電機緊急停止（常閉接點）3.4.4IO接口-數(shù)字量輸入2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut553.4.4IO接口-數(shù)字量輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut56引腳引腳名稱對應(yīng)參數(shù)參數(shù)功能參數(shù)默認(rèn)值DO信號名稱含義7DO1+P2-18數(shù)字輸出接腳DO1功能規(guī)劃0x0101SRDY當(dāng)驅(qū)動器通電后，控制回路與電機電源回路均無異警（ALRM）發(fā)生時輸出為ON6DO1-5DO2+P2-19數(shù)字輸出接腳DO2功能規(guī)劃0x0104ZSPD當(dāng)電機運轉(zhuǎn)速度低于零速度（參數(shù)P1-38）的速度設(shè)定時，此信號輸出信號。4DO2-3DO3+P2-20數(shù)字輸出接腳DO3功能規(guī)劃0x0116HOME當(dāng)完成原點復(fù)歸，此信號ON2DO3-1DO4+P2-21數(shù)字輸出接腳DO4功能規(guī)劃0x0117TPOS當(dāng)電機命令與實際位置的誤差（PULSE）小于參數(shù)P1-54設(shè)定值時，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，此信號輸出信號（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)機器人.hfut573.4.4IO接口-模擬量輸入輸出2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut58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)機器人.hfut59EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信EtherCAT是由德國的Beckhoff公司開發(fā)的，并且在2003年年底成立了ETG工作組(

Ethernet

Technology

Group)。EtherCAT

是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/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，進行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中各個模塊的通信方式，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)機器人.hfut60EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信PROFIBUS(ProcessFieldbus的縮寫)是由Siemens等公司組織開發(fā)的一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。其先后成為德國和歐洲的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245和ENS0170)，并于2000年成為IEC61158國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，2001年成為我國的機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001。（1）最大傳輸信息長度為255B，最大數(shù)據(jù)長度為244B，典型長度為120B。（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€型、樹型或總線型，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€長度，從9.6Kb/s到12Mb/s不等。（4）站點數(shù)取決于信號特性，如對屏蔽雙絞線，每段為32個站點(無轉(zhuǎn)發(fā)器)，最多127個站點(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，傳輸距離最長可達9.6km，用光纖時，最大傳輸長度為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)機器人.hfut61EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無線通信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)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運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?？偩€型：所需的電纜較少、價格便宜、管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，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為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。星型：管理方便、容易擴展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點、需要更多的網(wǎng)線、對核心設(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）作為核心節(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺主機連接到核心節(jié)點上，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^級聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴展到很大的規(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)機器人.hfut62EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無線通信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)場總線。CANopen實現(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)點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，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)層及物理層會用CAN來實作。除了CANopen外，也有其他的通訊協(xié)定（如EtherCAT）實作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)機器人.hfut63EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網(wǎng)無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信MODBUS通信有兩種模式：ASCII（AmericanStandardCodeforinformationinterchange）模式與RTU（RemoteTerminalUnit）模式，用戶可于參數(shù)P3-02設(shè)定所需的通訊協(xié)議。支持功能(Function)03H讀取多筆數(shù)據(jù)、06H寫入單筆字符、10H寫入多筆字符。ASCII模式是數(shù)據(jù)在傳輸時使用美國標(biāo)準(zhǔn)通訊交換碼(ASCII)，即在兩個站(主站與從站)之間，若要傳輸數(shù)值64H，則會送出ASCII碼的36H信號代表‘6’，送出ASCII碼的34H信號代表‘4’。每個8-bits數(shù)據(jù)由兩個4-bits的十六進制字符所組成。若兩站之間要交換數(shù)值64H，則直接傳數(shù)據(jù)64H。此方式會比ASCII模式有較好的傳輸效率。RTU模式ASCII模式3.4.7典型電路2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut64總結(jié)習(xí)題與思考題1.伺服驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)包括哪幾部分？2.伺服驅(qū)動器的主回路由哪幾部分組成？各部分電路的功能是什么？3.伺服驅(qū)動器的主要參數(shù)有哪些？4.回生電阻的作用是什么？如何選擇回生電阻？5.伺服驅(qū)動器數(shù)字量輸入接口NPN模式和PNP模式的區(qū)別在哪里，請畫圖說明。6.列舉伺服驅(qū)動器的通信接口種類。

2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut65第四章伺服系統(tǒng)常用測量元件第四章伺服系統(tǒng)常用測量元件4.1概述4.2編碼器4.3旋轉(zhuǎn)變壓器4.4光柵4.5磁柵尺總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut674.1概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut68類型數(shù)字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉(zhuǎn)型光電盤、圓光柵編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、圓形磁尺多級旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器組合直線型長光柵、激光干涉儀編碼尺直線感應(yīng)同步器、磁尺絕對值式磁尺

測量元件是伺服系統(tǒng)重要組成單元，為了實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的伺服性能，測量元件應(yīng)能實時地對被測對象的伺服參數(shù)（位移、速度、加速度、加加速度和力、轉(zhuǎn)矩等機械量）進行檢測。常用的檢測（角）位移、（角）速度的測量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和編碼器。常用的位置檢測裝置分類見下表。4.2編碼器-結(jié)構(gòu)與原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut69增量式光電編碼器原理圖增量式光電編碼器輸出信號（正轉(zhuǎn)）1.增量式光電編碼器4.2編碼器-結(jié)構(gòu)與原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut70絕對式光電編碼器原理圖2.絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器碼盤4.2編碼器-主要參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut71電源電壓：工作電壓一般有DC10~30V和DC5V±10%倆種。耗流量（空載）：空載時的電流。分辨率：以編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號腳本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。精度：是指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對測量的真實角度的準(zhǔn)確度，對應(yīng)的參數(shù)是角分、角秒。最高響應(yīng)頻率：一秒內(nèi)能響應(yīng)的最大脈沖數(shù)。最高轉(zhuǎn)速：可響應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生的脈沖能被響應(yīng)。截止頻率(-3dB、-6dB)信號輸出方式機械轉(zhuǎn)速（機械允許軸速）：編碼器的機械轉(zhuǎn)速以每分鐘最多可以旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來表示——r/min。軸載重能力：軸所能承受徑向和軸向載荷的能力。4.2編碼器-輸出信號2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut72集電極開路輸出電壓輸出差分長線驅(qū)動推挽式輸出

編碼器的信號輸出波形有正弦波（電流或電壓）,方波(TTL、HTL)。TTL晶體管邏輯(5V±0.25)，HTL也稱高壓晶體管(10-24V)邏輯；方波輸出的也有分集電極開路輸出（OpenCollector）、電壓輸出（Voltage）、差分長線驅(qū)動（LineDriver）、推挽式輸出（TotemPole）等4.2編碼器-應(yīng)用73編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，可用于計數(shù)、測速、位置測量等作用EB62-CWZ6C輸出回路

NPN增量型接線原理4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-結(jié)構(gòu)74旋轉(zhuǎn)變壓器按用途的差異可分為計算用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器；按輸出電壓的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系差異可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例旋轉(zhuǎn)變壓器等；按旋轉(zhuǎn)變壓器在由其構(gòu)造的轉(zhuǎn)角運算或相關(guān)變換及信號傳輸系統(tǒng)中的相對位置關(guān)系及具體作用可分為旋變發(fā)送機、旋變差動發(fā)送機和旋變變壓器等；根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號引進、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器；按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度限制義可分為有限轉(zhuǎn)角和無限轉(zhuǎn)角兩種類型；按極對數(shù)差異又可分為單對極和多對極旋轉(zhuǎn)變壓器。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfutA—普通旋轉(zhuǎn)變壓器B—環(huán)形變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-結(jié)構(gòu)752024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut類型精度工藝相位移可靠性結(jié)構(gòu)成本有刷型高差小差復(fù)雜高環(huán)變型高一般比較大好一般一般磁阻型低好大最好簡單低各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器性能、特點比較

有刷旋轉(zhuǎn)變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結(jié)構(gòu)上，存在著電的滑動接觸，因此可靠性差；環(huán)形變壓器型的旋變，也可達到高的精度，工藝性、結(jié)構(gòu)情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結(jié)構(gòu)性以及成本都是最好的，但精度比其它兩種低。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-工作原理762024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut旋變發(fā)送機兩相輸出電壓和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線旋變變壓器輸出電動勢和失調(diào)角的關(guān)系曲線旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-主要參數(shù)772024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut額定勵磁電壓和勵磁頻率：勵磁電壓都采用比較低的數(shù)值，一般在10V以下。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁頻率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之間。變壓比和最大輸出電壓：變壓比是指當(dāng)輸出繞組處于感生最大輸出電壓的位置時，輸出電壓和原邊勵磁電壓之比。極對數(shù)：旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)表示了轉(zhuǎn)子和定子繞組的正弦分布在一次旋轉(zhuǎn)中的重復(fù)頻率。極對數(shù)越高，旋轉(zhuǎn)變壓器機械精度越高。對于多極對，絕對角度數(shù)據(jù)可能會丟失，但在對旋轉(zhuǎn)變壓器信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換后，會獲得更高的分辨率。電氣誤差阻抗相位移零位電壓：輸出電壓基波同相分量為零的點稱為電氣零位，此時所具有的電壓稱為零位電壓。基準(zhǔn)電氣零位：確定為角度位置參考點的電氣零位點稱作基準(zhǔn)電氣零位。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-輸出信號及處理782024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC的連接圖示意旋轉(zhuǎn)變壓器的信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)角做正余弦變化，頻率和勵磁頻率一致。這樣一個信號還不能直接應(yīng)用，這就需要角度數(shù)據(jù)變換電路，把這樣一個模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigitalconverter-旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器）電路。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-應(yīng)用792024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut

在很多場合下，旋轉(zhuǎn)變壓器可以單獨作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)變壓器解碼后角度顯示旋轉(zhuǎn)變壓器接口示意圖4.4光柵802024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut直線光柵尺外形

光柵尺也稱為光柵尺位移傳感器或光柵尺傳感器，是通過利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。通常采用非接觸式測量，作為伺服控制系統(tǒng)的位置檢測元件以構(gòu)成全閉環(huán)控制。4.4.1光柵結(jié)構(gòu)812024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut直線光柵尺結(jié)構(gòu)圖直線透射式光柵由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵等。標(biāo)尺光柵和指示光柵也可稱為長光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長光柵可安裝在機床的固定部件上（如機床床身），其長度應(yīng)等于工作臺的全行程；短光柵長度較短，隨光柵讀數(shù)頭安裝在機床的移動部件上。4.4.2光柵尺工作原理822024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut直線光柵尺原理圖在測量時，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持0.01至0.1mm的間隙，指示光柵相對標(biāo)尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個微小的角度θ。當(dāng)光線平行照射光柵時，由于光的透射和衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋——莫爾條紋。4.4.3光柵的辨向與信號處理832024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut在移動過程中，經(jīng)過光柵的光線，其光強呈正（余）弦函數(shù)變化，反映莫爾條紋的移動的光信號由光電元件接收轉(zhuǎn)換成近似正（余）弦函數(shù)的電壓信號；經(jīng)信號處理裝置整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。為了既能計數(shù)，又能判別工作臺移動的方向，光柵用了4個光電元件。每個光電元件相距四分之一柵距（W/4）。當(dāng)指示光柵相對標(biāo)尺光柵移動時，莫爾條紋通過各個光電元件的時間不一樣，光電元件的電信號雖然波形一樣，但相位相差1/4周期。根據(jù)各光電元件輸出信號的相位關(guān)系，就可確定指示光柵移動的方向。光柵的特點：有很高的檢測精度?，F(xiàn)在光柵的精度可達微米級，再經(jīng)細(xì)分電路可以達到0.1微米。響應(yīng)速度較快，可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動化控制。對使用環(huán)境要求高，怕油污、灰塵及振動。由于標(biāo)尺光柵一般較長，故安裝、維護困難，成本高。4.4.4光柵的參數(shù)842024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut測量長度：量程是度量工具的測量范圍。其值由度量工具的最小測量值和最大測量值決定。精度等級：光柵尺準(zhǔn)確度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm等。并不是所有的設(shè)備都選擇光柵尺的精度越高越好，精度越高成本越高。一般可以根據(jù)我們設(shè)備的精度來定位，比如設(shè)備的精度是0.01mm精度，可以選擇對應(yīng)的精度光柵尺。防護等級（EN60529）敞開式直線光柵尺的讀數(shù)頭有防塵防水要求，光柵尺無需特別防護。如果光柵尺可能被污染，必須采取防護措施。加速度直線光柵尺在安裝和工作時會承受不同類型的加速度作用。溫度范圍（工作溫度）：工作溫度范圍是指環(huán)境溫度范圍，在該范圍內(nèi)能保證直線光柵尺技術(shù)參數(shù)中的性能。最大運動速度：即光柵尺允許的最大運動速度。4.4.5光柵的應(yīng)用852024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut參數(shù)海德漢LIC4003日本三豐AT203雷尼招RTLFASTRACKTM匯川井道絕對值光柵尺測量長度24034044064084010401240144016401840204022402440264028403040(Robax玻璃陶瓷的最大測量長度為1640)100-6000mm最長10m(可根據(jù)要求提供10m以上長度)392m(可定制更大量程)精度等級（精度）±1μm(僅限Robax玻璃陶瓷)±3μm±5μm有效測量范圍:100-1500mm(3+3Lo/1000)μm有效測量范圍:1600-3000mm(5+5Lo/1000)μm有效測量范圍:3250-6000mm(5+8Lo/1000)μm20μm:±5μm/m40μm(高精度)∶±5μm/m40μm:±15μm/m重復(fù)精度±1mm絕對精度±(1+0.1L)mmL∶測量量程防護等級—IP65—IP54溫度范圍-10℃~70℃0℃~45℃—-20~65C最大響應(yīng)速度≤600m/min120m/min(有效測量范圍為3250-6000mm的型號:50m/min)—≤8m/s供電電壓DC3.6V至14V——DC12V~30V(紋波100mVpp)重量3g+0.11g/mm測量長度——0.5kg幾種光柵的技術(shù)指標(biāo)4.5.1磁柵的結(jié)構(gòu)862024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut磁性標(biāo)尺結(jié)構(gòu)圖磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測電路組成。多種形狀的磁性標(biāo)尺磁通響應(yīng)型磁頭磁柵檢測電路包括：磁頭勵磁電路，讀取信號的放大、濾波、整形及辨向電路，細(xì)分內(nèi)插電路，顯示及控制電路等部分。根據(jù)檢測方法不同，檢測電路分為鑒幅檢測和鑒相檢測。4.5.2磁柵的工作原理872024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut磁柵測量裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，用來作為測量基準(zhǔn)。在測量時，拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示出來或轉(zhuǎn)化為控制信號輸入給數(shù)控機床。其工作原理是將高頻勵磁電流通以勵磁繞組時，在磁頭產(chǎn)生上磁通，當(dāng)磁頭靠近磁性標(biāo)尺時，磁性標(biāo)尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通通過磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產(chǎn)生的磁通調(diào)制，從而在拾磁繞組中感應(yīng)出電壓信號輸出。移動方向檢測原理圖4.5.3磁柵的主要參數(shù)882024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut供電電壓：供電點處的線電壓或相電壓。重復(fù)精度：在一個確定的測量點位置上，每次被測量的量變化到這個位置時傳感器表現(xiàn)出來的測量差值。當(dāng)多次給定相同的輸入，傳感器的輸出不同。分辨率：磁柵尺的分辨率就是一個脈沖的間隔。輸出信號：磁柵尺輸出信號類型有單端或差分輸出、ABZ脈沖信號等形式。響應(yīng)頻率：也稱帶寬頻率，帶寬頻率越大，動態(tài)性能迅速。移動速度：磁柵基尺和磁頭之間相對移動的速度。溫度范圍：運行時適用的環(huán)境溫度，溫度區(qū)間越寬表示其適用的使用環(huán)境越寬。防護等級：IP（防護）等級由兩個數(shù)字所組成，第一個數(shù)字表示防塵；第二個數(shù)字表示防水，數(shù)字越大表示其防護等級越佳。如IP65，其中“6”表示完全防止粉塵進入；“5”表示任何角度低壓噴射對設(shè)備無影響。線脹系數(shù)：亦稱線脹系數(shù)。固體物質(zhì)的溫度每改變1攝氏度時，其長度的變化和它在原溫度（不一定為0℃）時長度之比，叫做“線性膨脹系數(shù)"。4.5.4磁柵的應(yīng)用892024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut參數(shù)阿童木MH0-H200米朗MR50安捷高MR20?？豈B160工作電壓5-24VDC5~30VDC5V±5%—功耗＜25ma24VDC＜50ma5VDC—<30mA（無負(fù)載）—防護等級IP67IP68IP67—分辨率1μm、5μm、10μm可選5μm1-50μm—輸出信號單端或差分A\B\Z正交A.B增量信號—儲藏溫度短期：-10℃~+60℃中期：0℃~40℃長期：+20℃—-20~78°C-40~70°C工作溫度0℃~+50℃-20℃

~+85℃-10~78°C-20~70°C精度指標(biāo)±(0.025+0.02×L[m])±50μm/m——重復(fù)精度±30μm/mMax.

±1個單位分辨率（單方向）——幾種磁柵的技術(shù)指標(biāo)4.5.4磁柵的應(yīng)用902024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut參數(shù)阿童木MH0-H200米朗MR50安捷高MR20?？豈B160安裝間隙—Max.2.5mm0.1-0.4mm—線脹系數(shù)16x10-61/K17

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10-6/K——輸出電壓單端24V差分5V———輸出阻抗0Ω(R負(fù)載＞75Ω)———輸出電流—Max.50mA（每路信號）——極距2mm、5mm可選———讀取距離0.1-1mm———頻率—1.25MHZ——空載電流—Max.30mA）——幾種磁柵的技術(shù)指標(biāo)總結(jié)習(xí)題與思考題1.增量式編碼器和絕對值編碼器的區(qū)別有哪些？2.多圈編碼器與單圈編碼器區(qū)別？什么場合需要用到多圈編碼器？3.某絕對型編碼器單圈分辨率20bit代表什么含義，一圈能發(fā)多少個脈沖？4.旋轉(zhuǎn)變壓器的功能是什么？輸出信號是什么？5.旋轉(zhuǎn)變壓器與編碼器區(qū)別是什么，哪個精度高？6.長光柵和段光柵的應(yīng)用場合有何不同？7.磁柵的功能是什么？

2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut91第五章伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式第五章伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與模式5.1伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)5.2伺服系統(tǒng)的控制模式5.3伺服系統(tǒng)的常見故障及產(chǎn)生的原因5.4伺服系統(tǒng)的常用軟件總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut935.1.1三閉環(huán)結(jié)構(gòu)94伺服控制回路三閉環(huán)控制框圖5.1.2伺服系統(tǒng)的控制器952024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut作為驅(qū)動器的給定，伺服系統(tǒng)控制器的輸出主要包含兩種信號給定方式：脈沖輸入和內(nèi)部緩存器輸入。具有方向性的命令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電機的轉(zhuǎn)動角度，而緩存器輸入有兩種應(yīng)用方式，第一種為使用者在動作前，先將不同位置命令值設(shè)于命令緩存器，再進行相關(guān)規(guī)劃和切換；第二種為利用通訊方式來改變命令緩存器的內(nèi)容值?？刂破鞯倪x擇包括PLC（可編程邏輯控制器）、PC、運動控制卡。PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分，可以用于給伺服驅(qū)動器發(fā)送給定信號。PC也叫桌面機，是一種獨立相分離的計算機，主要部件如主機、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音響一般都是相對獨立的，一般需要放置在電腦桌或者專門的工作臺上。PC也可以作為控制器的一種，為伺服驅(qū)動器提供輸入信號。運動控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。5.2伺服系統(tǒng)的控制模式962024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機器人.hfut伺服系統(tǒng)