伺服电机控制技术

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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、13662686339136626863392 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，主要是合理地选择和正确使用

2、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作执行元件，将电信号转换为轴

3、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)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

4、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

5、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

6、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0.3mm2 2 伺服电机基本结构及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

7、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

8、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 90900 0电角度，有效匝数又电角度，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

9、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90900 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。UC1UC2UF1UF23.13.1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

10、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

11、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

12、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ABC结论：改变控制电压的

13、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。5V5V0V0V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

14、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. .2 2伺服电机驱动器伺服电机驱动器MREA/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B1B2PtrL1L2L3+5V+/-12V 门激励电源

15、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AC220VI/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 0/1P9-0/2CN 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 0/15.5.3 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N

16、O.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-of3、使用驱动器操作面板手动 调试伺服电机系统4、按UP键多次直至显示TEST15、按住SET直至显示窗显示D-01并闪烁6、按UP正转，按DOWN反转1、接通电源显示窗口显示 数字为设备连接正确。如：设置参数NO193、按DOWN或UP键多次，直至显示P 194、按SET键，显示窗显示00005、按SET键，显示窗0000闪烁2、按MODE键多次，直至显示数P 006、按DOWN或UP键多次，直至显示000E7、按SET键，再次通电。设置生效。3、使用驱动器操作面板手动 设置参数的方法1.6.11.6.1 功率的选择功率的选择功率选得过大不经