伺服电机控制技术解读

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1、伺服电机控制技术伺服电机控制技术 主讲主讲: :刘遥生刘遥生 深圳职业技术学院深圳职业技术学院 电话电话:26731642:26731642、1366268633913662686339 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 内容内容 3 3 旋转磁场作用下的运行分析旋转磁场作用下的运行分析 4 4 伺服电机的机械伺服电机的机械特性及特性及控制方式控制方式 5 5 交流伺服电机的应用交流伺服电机的应用 6 6 伺服电机选择及主要性能指标伺服电机选择及主要性能指标 由于我们是从事工厂自动控制方面的设备维修、由于我们是从事工厂自动控制方面的设备维修、 维护管理技术人员，主要是合理地

2、选择和正确使用各维护管理技术人员，主要是合理地选择和正确使用各 种控制电机，因此本次讲座着重阐述伺服电机的基本种控制电机，因此本次讲座着重阐述伺服电机的基本 结构、工作原理、工作特性和使用方法。具体内容如结构、工作原理、工作特性和使用方法。具体内容如 下：下： 1 1 概述概述 了解伺服电机基本结构，掌握其工作原理、运了解伺服电机基本结构，掌握其工作原理、运 行特性及其特点、应用场合，以求正确选用和使用行特性及其特点、应用场合，以求正确选用和使用 它们。它们。 目的目的 伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统 中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或中用

3、作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或 转速，以带动控制对象。转速，以带动控制对象。 1 1 概述概述 1、交流伺服电动机 2、直流伺服电动机 伺服电动机分为：伺服电动机分为： 1.1 1.1 什么叫伺服电机什么叫伺服电机 1 1 概述概述 在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没 有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的 大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和 转向。 1.2伺服电机最大特点 1 1 概述概述 1.31.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点伺服电机与普通电机相比具有如下特点 (1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)

4、转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。 1 1 概述概述 1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用 其它场合的应用 1.51.5伺服电动机典型生产厂家伺服电动机典型生产厂家 1 1 概述概述 德国西门子，产品外形有：德国西门子，产品外形有： 伺服电机 伺服电机驱动器 1 1 概述概述 美国科尔摩根，产品外形有：美国科尔摩根，产品外形有： 伺服电机 伺服电机驱动器 1.51.5伺服电动机典型生产厂家伺服电动机典型生产厂家 1 1 概述概述 日本松下及安川，产品外形有：日本松下及安川，产品外形有： 松下交流伺服电机及驱动器安川伺服电机驱动器 1.51.5伺服

5、电动机典型生产厂家伺服电动机典型生产厂家 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 交流伺服电机系统 驱动器 交流伺服 电机器 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 2.1 结构 交流电机 编码器 交流电机 电源线 编码器信 号输出线 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 1.2.1 结构 交流电机 减速齿轮 机械负载轴 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 2.1 2.1 结构结构 由由定子定子和和转子转子二二 大部分组成大部分组成 1 1、定子定子 由铁心和线圈组成由铁心和线圈组成 励磁绕组 控制绕组 励磁电压 控制电压 转 子

6、定子 壳体 1.2 1.2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 转 子 定 子 壳 体 1 1.2.1 .2.1 结构结构 由定子和转子二大部分组成由定子和转子二大部分组成 1 1、定子定子 由铁心和线圈组成由铁心和线圈组成 电气原理图 控制绕组 励磁绕组 控制绕组与励磁 绕组相差900 (1) 笼型笼型转子 铁芯槽内放铜条,端 部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 铸铝的笼型转子 转 子 定子 壳体 2、 转子 笼型转子 (2) 杯型型转子纲 薄壁园筒形，放于内外定 子之间。一般壁厚为0.3mm 2 2 伺服电机基本结构及

7、原理伺服电机基本结构及原理 杯型转子 转 子 定子 壳体 2.2 转动原理 2 2 伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理 2 2 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理 2.2 转动原理 2 2 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理 2.2 转动原理 当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是 顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向 切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则 ，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条 的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通 过短路环连接起来的，因此在感应电势

8、的作用下，在转子导条 中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同 。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁 场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴 形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是 一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用 下顺着磁铁旋转的方向转动起来。 3 3 旋转磁场作用下的运行分析旋转磁场作用下的运行分析 为了分析方便，先假定为了分析方便，先假定 励磁绕组有效匝数励磁绕组有效匝数UfUf与与 控制绕组有效匝数控制绕组有效匝数UCUC相相 等。这种在空间上互差等。这种在空间上互差 9090 0 0 电角度，有效

9、匝数又电角度，有效匝数又 相等的两个绕组称为对相等的两个绕组称为对 称两相绕组。称两相绕组。 3 3.1.1伺服电机伺服电机旋转磁场的产生旋转磁场的产生 电气原理图 控制绕组 励磁绕组 3 3 旋转磁场作用下的运行分析旋转磁场作用下的运行分析 同时，又假定通入励磁同时，又假定通入励磁 绕组的电流绕组的电流UfUf与通入控与通入控 制绕组的电流制绕组的电流UCUC相位上相位上 彼此相差彼此相差9090 0 0 幅值彼此相幅值彼此相 等，这样的两个电流称等，这样的两个电流称 为两相对称电流，用数为两相对称电流，用数 学式表示为学式表示为 3.13.1旋转磁场的产生旋转磁场的产生 控制绕组励磁绕组

10、当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋 转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。 UC1UC2 UF1 UF2 3.13.1旋转磁场的产生旋转磁场的产生 3 3. .2 2伺服电机伺服电机旋转磁场的方向旋转磁场的方向 控制绕组 励磁绕组 控制绕组 励磁绕组 3 3. .2 2伺服电机伺服电机旋转磁场的方向旋转磁场的方向 3 3. .3 3 伺服电机伺服电机旋转磁场的速度旋转磁场的速度 旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表 示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电 流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当 电源频率f400 Hs，即每秒

11、变化400个周期时，磁场每秒应当 转400圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为 n0= 24000 rmin 旋转磁场转速为的一般表达式为 4 4. .伺服电机的机械特性及控制方式伺服电机的机械特性及控制方式 4 4.1.1伺服电机的机械特性伺服电机的机械特性 对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零 信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC0，这时 磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆 形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁NS和 NS在空间以相反方向旋转。 4 4.2 .2 零信号时的机械特性和无零信号时的机械特性和无“自转自转”现象现象

12、 4 4.2 .2 零信号时的机械特性和无零信号时的机械特性和无“自转自转”现象现象 当电阻已增大到使临界转差率1的程度时，合成转矩曲线与横 轴相交仅有一点(S1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均 为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时 ，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停 转，这样就不会产生自转现象。 4 4.2 .2 零信号时的机械特性和无零信号时的机械特性和无“自转自转”现象现象 4.34.3伺服电机控制方式及特性伺服电机控制方式及特性 设电机的负载阻转矩为TL， 控制电压0.25UC时,电机在特性点 A运行，转速为na，这时电机产生 的转矩与

13、负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到0.5UC时，电机产 生的转矩就随之增加C，由于电机 的转子及其负载存在着惯性，转 速不能瞬时改变，因此电机就要 瞬时地在特性点C运行，这时电机 产生的转矩大于负载阻转矩，电 机就加速，一直增加到nb，电机 就在B点运行。 伺服电动机的机械特性 A B C 结论：改变控制电压的大 小，就实现了转速的控制 5 5 交流伺服电机的应用交流伺服电机的应用 编码器 部分 安装在电机后端，其转盘（光栅） 与电机同轴。 5V 5V 0V0V 伺服电机控制精度取决于编码器精度。 5 5. .1 1 伺服电机编码器伺服电机编码器 编码器 5 5. .2 2伺服电机驱动器伺服

14、电机驱动器 1、主要功能 （1）根据给定信号输出与 此成正比的控制电压UC； （2）接收编码器的速度和 位置信号； （3）I/O信号接口 5 5. .2 2伺服电机驱动器伺服电机驱动器 数码显示窗口 参数设置键 计算机RS232口 I/O信号接口 编码器信号接口 电机电源输入 输出接线端子 2、外部组成 5 5. .2 2伺服电机驱动器伺服电机驱动器 3、控制模式 （1）位置控制模式最大输入脉冲 频率500KPPS（微分接收器）和 200KPPS（用于开路收集器） （2）速度控制模式 模拟速度指令 输入：010V/额定转速 （3）力矩控制模式模拟力矩指令 输入：010V/最大力矩 5 5. .

15、2 2伺服电机驱动器伺服电机驱动器 M RE A/D 功率放大 器 序列控制器误差检出 门激励 8888888 操作人员接口 参数控制 EEPROM 保护电路 A/D 位置误差计数器放大器 速度误差 放大器 速度检出 内速度指令 转矩限位 电流控制 PWM 电路 处理编码器信号 位置/速度 速度 转矩 位置 内 外 16位 报警信号 脉冲指令 速度指令 转矩指令 脉冲输出 LED面板 B1 B2 P t r L1 L2 L3 +5V +/-12V 门激励电源 编码器电源 4、原理框图 5.5.3 3交流伺服电机系统应用 图 2-2 交流伺服电机系统接线示意图 交流伺服电机驱动器 连接AC220

16、V I/O板 5.5.3 3.1.1交流伺服电机系统结构 PC机 运动控制器 I/O 电 路 驱 动 器 电 机 Pulse 0/1 P9-0/2 CN SIG 控制 电压 编码器 反馈信号 轴号 0/1 数据信号 使能信号 DO 21/22 速度信号 DAC 0/1 5.5.3 3交流伺服电机系统应用 5.5.3 3.1.1交流伺服电机系统结构 1 、设置参数 方法一 联接计算机使用 软件设置 方法二 直接在驱动器 面板按钮设置 5.5.3 3.2.2交流伺服电机系统使用 方法一、使用计算机设置参数 1、启动软件 2、修改参数NO.19=000E (允许参数改写) 3、修改参数O.41=0001 （内部使能） 4、正反转试运行 1 、设置参数 1、启动软件 2、进入TEST功能，使用JOG 模式调试系统 3、正反转试运行 2 、使用计算机调试伺服电机系统 1、启动软件将参数 NO.41=0000,改为外部使能， 然后关闭软件 2、接通电源显示窗口显示 数字为设备连接正确。 3、按MODE键，显示rd-of 3、使用驱动