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1、工业机器人工作站系统集成,主讲教师：汪励,单元三 自动生产线伺服控制系统的设计,工作任务描述: 根据工业机器自动生产线工作站输送线负载性质与运行特点，利用CX-Drive软件设置伺服驱动器的参数，并进行记录。 学习目标: 通过本任务学习，应能： 1.掌握EtherCAT通信设备的硬件连接方法。 2.掌握伺服系统的工作原理。 3.掌握伺服驱动器参数的设置方法。 4.掌握CX-Drive软件的使用。,伺服（Servo）是ServoMechanism一词的简写，来源于希腊，其含义是奴隶，顾名思义，就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。最早的液压、气
2、动到如今的电气化，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过了近50个年头。 如今，随着技术的不断成熟，交流伺服电机技术凭借其优异的性价比，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。交流伺服系统技术的成熟也使得市场呈现出快速的多元化发展，并成为工业自动化的支撑性技术之一。,知识准备,一、伺服控制系统简介,知识准备,1伺服控制系统的组成 伺服控制系统由伺服控制器以及伺服电机组成的一个闭环控制系统，如图所示。 闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。这种控制方法可以提高整个系统的稳定性和抗干能力。 伺服电机具有锁定功
3、能。当偏差计数器的输出为零时，如果有外力使伺服电机转动，由编码器将反馈脉冲输入偏差计数器，偏差计数器发出速度指令，旋转修正电机使之停止在滞留脉冲为零的位置上，该停留于固定位置的功能，称为伺服锁定。,伺服控制系统的组成,一、伺服控制系统简介,知识准备,2伺服电机的控制方式 一般伺服电机有三种控制方式：速度控制方式、转矩控制方式和位置控制方式。 (1) 转矩控制 转矩控制方式是通过外部模拟量或直接对伺服控制器对应的地址赋值来设定电机轴对外的输出转矩。 主要应用于需要严格控制转矩的场合。例如在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改，以确保材质的受力不会随
4、着缠绕半径的变化而改变。 (2) 位置控制 伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来,一、伺服控制系统简介,知识准备,3伺服电机的选型原则 为了满足机械设备对高精度、快速响应的要求，伺服电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压，还应具有较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求，能够承受频繁启动、制动和正、反转。 如果盲目地选择大规格的电机，不仅增加成本，也会使得设备的体积增大，结构不紧凑，因此选择电机时应充分考虑各方面的要求，以便充分发挥伺服电机的工作性能。 (1) 负载/电机惯量比 正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的
5、前提，这在要求高速高精度的系统上表现尤为突出。伺服系统参数的调整跟惯量比有很大的关系，若负载电机惯量比过大，伺服参数调整越趋边缘化,一、伺服控制系统简介,知识准备,3伺服电机的选型原则 ，也越难调整，振动抑制能力也越差，所以控制易变得不稳定。 在没有自适应调整的情况下，伺服系统的默认参数在13倍负载电机惯量比下，系统会达到最佳工作状态，也就是惯量匹配。如果电机惯量和负载惯量不匹配，就会出现电机惯量和负载惯量之间动量传递时发生较大的冲击。 不同的机械系统，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现，但大多要求负载惯量与电机惯量的比值小于10。总之，惯量匹配的确定需要根据具体机械系统的需求来确
6、的。 需要注意的是，不同系列型号的伺服电机给出的允许负载/电机惯量比是不同的，可能是3倍、15倍、30倍等，需要根据厂家给定的伺服电机样本确定。,一、伺服控制系统简介,知识准备,3伺服电机的选型原则 (2) 转速 电机选择首先应依据机械系统的快速行程速度来计算，快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内，并应在接近电机的额定转速的范围使用，以有效利用伺服电机的功率。 (3) 转矩 伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的3倍。 需要注意的是，连续工作的负载转矩伺服电机的额定转矩，机械系统所需要的最大转矩伺服电机输出的最大转矩。
7、(4) 短时间特性（加减速转矩） 伺服电机除连续运转区域外，还有短时间内的运转特性，如电机加减速，用最大转矩表示；即使容量相同，最大转矩也,一、伺服控制系统简介,知识准备,3伺服电机的选型原则 会因各电机而有所不同。最大转矩影响驱动电机的加减速时间常数，应根据所需的电机最大转矩，选定电机容量。 (5) 连续特性（连续实效负载转矩） 对要求频繁起动、制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查它在一个周期内电机转矩的均方根值，并使它小于电机连续额定转矩，其具体计算可参考相关文献。,一、伺服控制系统简介,知识准备,4伺服电机的制动方式 (1) 常用制动方式 1) 动态制动器由动态制动电阻组成，在故障、
8、急停、电源断电时通过能耗制 动缩短伺服电机的机械进给距离。 2) 再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线，经阻容回路吸收。 3) 电磁制动是通过机械装置锁住电机轴。,一、伺服控制系统简介,知识准备,4伺服电机的制动方式 (2) 制动方式的区别 1) 再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用，在故障、急停、电源断电时等情况下无法制动电机。动态制动器和电磁制动工作时不需电源。 2) 再生制动的工作是系统自动进行，而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。 3) 电磁制动一般在给定信号解除后启动，否则可能造成放大器过载，动态制动器一般在给定信号解除或主回路断电
9、后启动，否则可能造成动态制动电阻过热。 4) 动态制动和再生制动都是靠伺服电机内部的激磁完成的，也就是向旋转方向相反的方向增加电流来实现。 5) 电磁制动，也就是常说的抱闸，是靠外围的直流电源控制，失电抱闸，属于纯机械摩擦制动。,一、伺服控制系统简介,知识准备,4伺服电机的制动方式 (3) 配件的选择 1) 有些系统如传送装置，升降装置等要求伺服电机能尽快停车，而在故障、急停、电源断电时伺服器没有再生制动，无法对电机减速。同时系统的机械惯量又较大，这时对动态制动器要依据负载的轻重、电机的工作速度等进行选择。 2) 有些系统要维持机械装置的静止位置，需电机提供较大的输出转矩，且停止的时间较长。如
10、果使用伺服的自锁功能，往往会造成电机过热或放大器过载，这种情况就要选择带电磁制动的电机。,一、伺服控制系统简介,知识准备,4伺服电机的制动方式 3) 有的伺服驱动器有内置的再生制动单元，但是，当再生制动较频繁时，可能引起直流母线电压过高，这时需另配再生制动电阻。再生制动电阻是否需要另配置，配置多大，可参照相应样本的使用说明来配置。 4) 如果选择了带电磁制动器的伺服电机，电机的转动惯量会增大，计算转矩时要进行考虑。,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,欧姆龙公司推出的G5系列EtherCAT通信内置型AC伺服电机/驱动器，采用全闭环控制、EtherCAT通信，实现了高速和高精度定位；AC400V
11、电压等级，全面拓宽了伺服驱动器的系统和环境应对范围，甚至覆盖到大型设备；即使是刚性较低的系统，也可有效抑制加速/减速时的振动。 G5系列EtherCAT通信内置型伺服电机与伺服驱动器如图所示。,G5伺服电机与伺服驱动器,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,1G5伺服电机命名方式 G5伺服旋转电机型号定义如图所示。,各部分的定义见表,G5伺服旋转电机型号,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,G5伺服旋转电机型号定义,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,2G5伺服驱动器命名方式 G5伺服驱动器型号如图4-54所示。,各部分的定义见表,G5伺服驱动器型号,二、欧姆龙G5伺
12、服系统,知识准备,2G5伺服驱动器命名方式,G5伺服驱动器型号定义,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,3G5伺服驱动器接口 网络型伺服驱动器，内置EtherCAT通信接口。此外伺服驱动器上有多个接口，如图所示。 (1) 7段显示部 通过2位7段显示器显示节点地址、错误代码及其它驱动器状态。 (2) EtherCAT状态显示 显示EtherCAT通信的状态。,内置EtherCAT通信接口的伺服驱动器接口,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,3G5伺服驱动器接口 (3) 充电指示灯 主回路电源接通时点亮。 (4) 主电源输入端子 三相电源连接到L1、L2、L3；单相
13、电源连接到L1、L3。 (5) 控制电路电源端子 伺服驱动器控制电源AC220V。 (6) 电机连接端子 U、V、W端子用于连接电机。交流伺服电机的旋转方向不像感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。 (7) 外部再生电阻器连接端子 根据伺服电机拖动负载的情况，以及停车时间的长短来确定。如果负载惯性较大，可以使用自由停车方式，如果有停车时间要求，则必须要加再生电阻来消耗电机快速停车时由于惯性所产生的,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,3G5伺服驱动器接口 能量，否则，会损伤伺服驱动器。 (
14、8) 保护接地端子 接地为防止触电或保护设备的安全。伺服电机、驱动器的接地端子的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。 (9) 控制输入输出接插件CN1 用于指令的输入输出信号，如原点信号、急停按钮、左右限位等。其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关。CN1端子内部结构图如图所示。,控制输入输出CN1端子内部结构图,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,部分控制输入输出CN1端子引脚功能见表,控制输入输出CN1端子引脚功能,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,伺服驱动器CN1可通过专用电缆XW2Z-100J-B34与远程模块连接器进行连接，以便于外部信号的连接。XW2Z-100J-B34电缆的
15、内部结构如图所示。,XW2Z-100J-B34电缆的内部结构,3G5伺服驱动器接口,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,3G5伺服驱动器接口 (10) 编码器接插件CN2 用于连接安装在伺服电机上的编码器。连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。 (11) 外部光栅尺连接接插件CN4 用于连接全闭环控制时的光栅尺信号。 (12) 监视用接插件CN5 使用专用电缆，监控电机转速、转矩指令值等。 (13) USB接插件CN7 用于与计算机通信。 (14) 安全接插件CN8 用于连接安全设备。 (15) EtherCA
16、T通信用接插件（ECAT IN、ECAT OUT） 通过网线与配置EtherCAT通信接口的设备连接，实现EtherCAT网络通信,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,4G5伺服驱动器参数 EtherCAT通信内置型G5伺服驱动器参数包括CiA402驱动曲线参数、基本参数、增益参数、振动抑制参数等，通过设置相应的参数，可使伺服系统按照希望的要求正确、稳定的工作。 EtherCAT通信内置型G5伺服驱动器常用参数及功能见表。,G5伺服驱动器常用参数及功能,二、欧姆龙G5伺服系统,知识准备,4G5伺服驱动器参数,三、伺服系统在自动生产线上的应用,知识准备,1伺服系统的选型 工业机器人自动生产线工作站采用伺服系统驱动输送线的运行。选用欧姆龙G5系列伺服系统，型号为伺服电机R88M-K75030H-S2和伺服驱动器R88D-KN08H-ECT。 欧姆龙R88M-K75030H伺服器电机的主要技术参数见表。,R88M-K75030H伺服电机主要技术参数,三、伺服系统在自动生产线上的应用,知识准备,1伺服系统的选型 欧姆龙R88D-K
