（机械电子工程专业论文）滑动轴承实验装置交流伺服控制系统设计及应用.pdf

摘要 摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术 的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服控制系统系列产品，交流伺 服控制系统的设计与开发也在生产实践中发挥着越来越重要的作用。 本课题研究的目的是针对机电实验室的滑动轴承实验装置开发数字交流伺服 系统，在对轴承实验装置及交流伺服系统原理进行深入分析的基础上，提出了交 流伺服控制系统的整体构思方案，选用m i n a sa 系列交流伺服电机开发伺服控 制系统，结合e d a 最新研究成果，按照高性能、高精度数字控制系统的发展要 求，综合运用单片机、可编程逻辑器件控制技术，尝试性的提出数字型交流伺服 系统控制方案并独立完成全部软硬件制作、调试工作。该系统以v b 6 0 开发驱动 控制系统的人机交互环境，以p r o t e u se d a 设计软件开发以8 9 s 5 2 单片机与 x c 9 5 1 0 8c p l d 可编程逻辑器件为核心的p c b 控制电路板，以位置控制方式完 成对实验台的速度、位置的微机上位控制，并采用两路a d 实时监控实验台的速 度转矩信号，完成对轴承模拟信号的采样与传输。 交流伺服控制系统设计完成后进行了安装调试，并对测试数据结果进行了分 析，经过评测，该控制系统使用方便，成本低廉，完全达到了轴承实验装置对伺 服控制系统功能性与经济性的要求。 关键词：交流伺服控制；轴承实验装置；p c b 设计及应用 山东大学硕十学何论文 a b s t r a c t wi t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n da d j u s t a b l es p e e da cm o t o r s ，m o r ea n dm o r ef a m o u sc o m p a n i e sh a v e p r o d u c e do w na cs e r v om o t o r sf r o mt h e19 9 0 s t h ed e s i g no fa cs e r v os y s t e mh a s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ep r a c t i c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e saa cs e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do naj o u r n a lb e a r i n gt e s t e q u i p m e n t a u t h o rh a sr e s e a r c h e di n t ot h eb e a r i n gt e s te q u i p m e n ta n dp r o p o s e dt h e o v e r a l ld e s i g np l a n t h ep a p e rc h o i c e sm i n a sas e r i e sa cs e r v om o t o r sa sd r i v e m o t o ra n di n t e g r a t e s s i n g l ec h i pt e c h n o l o g y , c p l dt e c h n o l o g ya n dn e we d a a c h i e v e m e n t s a u t h o rd e s i g n e dt h ea cs e r v os y s t e ma n dc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei n d e p e n d e n t l y t h es y s t e mi n c l u d e st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eb a s e do n v b 6 0s o f t w a r ea n dt h ec o n t r o lp c b i n c l u d i n g8 9 s 5 2m i c r o c h i pa n d9 5 x c 10 8c p l d c h i pb a s e do np r o t e u ss o f t w a r e t h es y s t e mc o n t r o l sp o s i t i o na n dv e l o c i t yo ft h e b e a r i n gt e s te q u i p m e n t ，s a m p l e sv e l o c i t ya n dt o r q u es i g n a la n dc o m p l e t e st h er e a l - t i m e c o n t r 0 1 a f t e ri n s t a l l i n g ，d e b u g g i n ga n de v a l u a t i o no ft h ea cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h e r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi si n e x p e n s i v ea n dc o n v e n i e n ta n df i t st h er e q u i r e m e n to f t h ea cs e r v oc o n t r o ls y s t e mc o m p l e t e l y k e y w o r d s ：a cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ；j o u r n a lb e a r i n gt e s te q u i p m e n t ；d e s i g na n d a p p l i c a t i o no fp c b i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎壁日期：兰竺至：兰：箜 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的e r j 届l j 件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎鱼导师签名：期：坐2 j 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的是针对机电实验室的滑动轴承实验装置开发数字型交流伺 服控制系统，该轴承实验装置是机电实验室研究开发的根据滑动轴承的润滑基本 原理，用于教学实验和理论研究的径向滑动轴承油膜压力测试装置p 1 。本课题将 结合e d a 最新研究成果，针对高性能、高精度数字控制系统的发展要求，使用 最流行的仿真设计软件，综合运用单片机、可编程逻辑器件控制技术，独立提出 交流伺服控制系统整体方案并完成软硬件部分的制作与调试。通过本控制系统的 设计开发能够最大限度满足对控制系统实用性与经济性以及可在线升级的要求， 避免使用不必要的昂贵的多功能控制板卡，降低系统硬件电路成本，同时按照轴 承实验台的使用要求设计硬件电路，开发人机交互程序，可以提高控制系统的针 对性和人机友好性，方便扩展控制功能，具有较大的实用价值。 1 2 国内外交流伺服控制系统发展状况 2 0 世纪8 0 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术 的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各 自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已 成为当代高性能伺服系统的主要发展方向1 3 1 09 0 年代以后，世界各国已经商品化 了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装 置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主 要优点有： 1 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 2 定子绕组散热比较方便。 3 惯量小，易于提高系统的快速性。 4 适应于高速大力矩工作状态。 山东大学硕士学位论文 5 同功率下有较小的体积和重量。 近年来随着微处理器、新型数字信号处理器( d s p ) 的应用，出现了数字 控制系统，控制部分可完全由软件进行，称为数字永磁交流伺服系统 1 4 1 。 目 前，伺服系统的数字控制主要采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控 制方式一般通过微控制器实现。这种基于微控制器实现的伺服控制系统有以下 优点 1 能明显降低控制器硬件成本。速度更快、功能更强、耗能更底的新一代 控制器的不断推出，会使硬件使用成本不断下降。 2 能显著提高控制系统的可靠性。大规模、超大枷模集成电路的平均故障 率要远远低于分立元件组成的电路。 3 数字电路温漂小，影响参数少，易于标准化可显著降低电磁干扰问题。 4 采用微机上位控制，大大加强信息双向传递能力，可随时改变控制参数。 5 提高了信息储存、分析、诊断以及分级控制的能力，使控制系统智能化 采用高性能微处理器可以实现复杂的控制算法和策略，提高控制精度。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控 制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西 门子、美国科尔摩根和日本松下及安j i l 等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，如图1 1 所示， 其中d 系列适用于数控机床( 最高转速为1 0 0 0 r m i n ，力矩为02 5 28 nm ) ， r 系列适用于机器人( 最高转速为3 0 0 0 r m i n ，力矩为00 1 6 01 6 nm ) 。之后 又推出m 、f 、s 、h 、c 、g 六个系列。2 0 世纪9 0 年代先后推出了新的d 系列 和r 系列。由旧系列矩形波驱动、8 0 5 1 单片机控制改为正弦波驱动、8 0 c 、1 5 4 c p u 和门阵列芯片控制，力矩波动由2 4 降低到7 ，并提高了可靠性。 图1 - i 安川伺服电机 _t女焉h。譬h 第1 章绪论 以生产机床数控装置而著名的日本法纳克( f a n u c ) 公司，在2 0 世纪8 0 年 代中期也推出了s 系列( 1 3 个规格) 和l 系列( 5 个规格) 的永磁交流伺服电动 机。l 系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置 伺服系统。 近年日本松下公司推出的全数字型m i n a s 系列交流伺服系统噶1 ，其中永磁 交流伺服电动机有m s m a 系列小惯量型，功率从0 0 3 5 k w ，共1 8 种规格；中 惯量型有m d m a 、m g m a 、m f m a 三个系列，功率从0 7 5 4 5 k w ，共2 3 种规 格。m h m a 系列大惯量电动机的功率范围从0 5 一- - 5 k w ，有7 种规格。 德国西门子( s i e m e n s ) 公司的i f t 5 系列三相永磁交流伺服电动机分为标准 型和短型两大类，共8 个机座号9 8 种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同 输出力矩的直流伺服电动机i h u 系列相比，重量只有后者的1 2 ，配套的晶体 管脉宽调制驱动器6 s c 6 1 系列，最多的可供6 个轴的电动机控制。 1 d ( i n d u s t r i a ld r i v e s ) 是美国著名的科尔摩根( k o l l m o r g e n ) 的工业驱动 分部，曾生产b r 2 1 0 、b r 一3 1 0 、b r 一5 1 0 三个系列共4 1 个规格的无刷伺服电 动机和b d s 3 型伺服驱动器。自1 9 8 9 年起推出了全新系列设计的g o l d l i n e 永磁 交流伺服电动机，包括b ( 小惯量) 、m ( 中惯量) 和e b ( 防爆型) 三大类，有 10 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 五种机座号，每大类有4 2 个规格，全部采用钕铁硼永磁材 料，力矩范围为0 8 4 - - - 1 1 1 2 n m ，功率范围为0 5 4 - - - 1 5 7 k w 。配套的驱动器有 b d s 4 ( 模拟型) 、b d s 5 ( 数字型、含位置控制) 和s m a r td r i v e ( 数字型) 三个 系列。 针对国际交流伺服控制系统的迅猛发展和越来越广泛的使用，国内许多厂家 开发设计了专用的交流伺服运动控制产品，比较著名的有华中科技、固高科技等。 固高科技有限公司生产的g t 系列运动控制器目前使用比较广泛，其中 g m 4 0 0 是一种高性能、使用简单的通用型4 轴运动控制器，如图1 - 2 所示，以 i b m p c x t a t 或兼容机作为主机的i s a 总线应用插板，可以同时控制四台伺服马 达。g m 4 0 0 的核心是两片专用运动控制芯片，负责处理4 个轴的运动控制所需的 大量计算任务，该运动控制器设计紧凑，功能强大，特别是用于普通机床、包装 机械和工厂自动化的p c 化控制。 图1 2 周高科技g m 4 0 0 通用型运动控制板 北京佛力系统公司独立研制开发的f z _ 1 运动控制板卡精度可以达到1 8 个角 秒，主要用于数控机，工业机器人、生产线、包装机械，模拟飞行转台等对位置精 度要求高的设备上。板卡资源包括2 0 路d i ，1 6 路肋，1 6 位a d ，1 6 位d a ，f p g a 可以用做传感器反馈信号的处理( 如光电码盘等) ，同时对显示信号处理，只需外 接l e d 显示屏即可显示，采用标准p c i 总线接口，直接插入工控机p c i 接口即可 使用控制模块采用a p j , i 系列嵌入式控制器，能够实现远端快速数据传输和控制， 可以采用光纤网卡把远端机连接起来，采用呲数据传输方式，电路中普遍采用 最先进的高速磁隔离器进行信号隔离，晟大功耗低至2 5 w 。 北京研华科技生产的p c i 一1 2 4 2 伺服电机控制板卡采用p c i 总线接口，具备 异步4 轴运动控制能力每轴支持高达4 m p p s 的脉冲输出，支持t s 加速减速曲 线、恒速和超速控制、位置补偿功能、连续插补功能及事件触发等多项功能， p c i 一1 2 4 2 采用了运动a s i c 芯片，通过使用d d a ( 数字微分分析器) 算法发送每个 轴的脉冲从而实现4 轴伺服位置和同步控制。在脉冲输出控制下，编码器的值 可以从编码器的输入输出口回读。这样，可以很容易的在电机控制应用中实现软 件闭环控制。对于每个轴韵控制，它可以提供一套完整的传感器输入点，包括h o m e 点、正限位点和负限位点。此外还有抑制信号输出点、位置就绪输出点和紧急停 止输入点。此板卡使用了节省布线的1 0 设计，它可以扩展到6 4 点输入和6 4 点输 出。 以上各种运动控制系统都具备高精度、高通用性、多项功能齐备，便于实现 网络连接的优点，但同时也带来了使用成本高，控制系统针对性差的缺点和不足， 第1 章绪论 基于此作者将开发专门用于滑动轴承实验装置的交流伺服控制系统，在满足使用 要求的基础上大幅降低硬件电路成本，提高系统稳定性并进一步扩展控制功能。 1 。3 课题研究的内容 本课题将以实验室内的滑动轴承实验装置作为为控制对象，在对轴承实验装 置和交流伺服控制系统进行深入分析的基础上，综合运用单片机控制技术、c p l d 控制技术、p c b 设计制作等多方面的知识开发实用性数字交流伺服控制系统的软 硬件环境，该伺服控制系统能够按照指令要求以位置控制方式完成对实验台的速 度、位置的微机上位控制，满足轴承试验台对运转速度精确、实时调整控制的要 求，同时实时监控轴承实验装置的速度、转矩信号，按指令上传至控制微机并绘 n - - 维坐标图形，分析实验装置的动态特性。 本课题主要工作内容： 1 数字型交流伺服控制系统整体构思设计 2 交流伺服驱动系统的选型与工作原理分析 3 控制系统硬件电路设计 。4 控制系统软件设计 5 。控制系统综合测试 第2 章轴承实验装置介绍及伺服驱动装置选择 第2 章轴承实验装置介绍及伺服驱动装置选择 2 1 滑动轴承实验装置机械结构 如下图2 1 、7 图2 2 、图2 3 、图2 - 4 分别是轴承实验装置装配图的三视图和 主轴部分的剖面图。该实验装置主要由台架、主轴、支撑轴承、实验轴承、同步 轮等组成。 图2 - 1 轴承试验装置主视图 图2 - 2 轴承试验装置侧视图 图2 3 轴承实验装置俯视图 7 山东大学硕+ 学位论文 2 1 0 5 f e 2 翳0 2 0 譬载努蹙 秘鳙i ；垂 ，口2 lt 0j 1 1 2 抽：3 3 j 虹 嚣 吐 j 燃 卜 区量 易易纺孚，勿疬：缀黝瞒 删 荟 pl i 绕磁筑绣缓纺符钐笏移兹铭黝彩黝 越 一 i ， l ，l 爿卅溅司窃黝弼嬲嘿荔瀚酽锄l i 冀蕊：过憨站谤酿躐j薅黼 滔， i f 盯鬻萨妒俨 衬1 谍 |j 3 i | 、 | 阂囱 0 镪强如钰囊 j 搿妻 | 。蠹，| ，掌韩 搿；d ，口墓 四谙 堑 蝣辩辑莲t 窜口o 拳 席箭钰鲥 t 2 e 0 图2 - 4 轴承实验装置主轴剖面图 2 2 轴承实验装置工作原理 图9 - 5 为轴承实验装置结构示意图。旋转主轴4 通过两个高精度滚动轴承2 和1 0 支承，测试轴承8 设有进油环9 与出油环7 与轴承的进油孔以及出油孔对应 安装，在进油环与出油环上分别安装有高精度压力表，以测量供油压力及出油环 压力，进出油环通过高压油管与液压系统1 2 相连，主轴靠近被测轴承的表面上设 有两个小的采压孔与外部相连，两个压力传感器安装于空心主轴的采压孔内部， 通过非接触式无线集流环将压力测量信号发射出来，并由接收器i 和l l 接收，由 多通道数据采集仪1 5 对压力信号进行采集，同时在主轴的横向和纵向分别安装两 个电涡流传感器5 ，用以测量主轴的跳动，为定位传感器测量信号与轴承的位置 关系，在主轴一侧安装光电传感器3 ，光电传感器检测点与压力传感器位于相同 的周向位置，而轴承的端泄流量及出油孔流量可以通过端泄回油管1 3 和出油孔回 油管1 4 测量得到。 第2 章轴承实验装置介绍及伺服驱动装置选择 1 、1 1 接收器 2 、1 0 一支撑轴承3 、5 光电传感器 4 主轴8 测试轴承 12 液压系统 1 3 、1 4 回油管1 5 数据分析仪1 6 上位计算机一 1 7 伺服控制电机1 8 同步带 图2 5 轴承实验装置示意图 2 。3 滑动轴承实验装置功畿 本课题的滑动轴承实验装置是根据滑动轴承基本原理，设计开发的用于教学 实验和理论研究的径向滑动轴承油膜压力测试装置。滑动轴承是以相对运动的两 表面为核心的支承组件，两表面构成滑动副，接触状态常具有低副特征，工作时 承担的载荷可全部或部分通过轴承间的润滑介质传递，有时则直接通过轴径和轴 瓦接触传递，当实验装置在伺服控制系统驱动下以一定转速运转时，流体动压润 滑轴承能自行建立承载油膜，并严格遵循流体动力学和热力学规律，系统采用动 态响应特性良好的压电式压力传感器测量油膜压力，能够更加方便直观地对假设 条件下计算得到的压力分布，以及由压力分布决定的其他重要参数，如润滑油流 量，油膜刚度，油膜阻尼等进行验证，分析各种因素变化带来的影响，对理论研 究和教学科研具有较大的实用价值。该试验装置主要实现以下功能： 9 山东大学硕士学位论文 1 实行周向3 6 0 。连续压力曲线的实时测试：实现轴向多点拟合压力曲线的 测试。 2 在不同转速的条件下，实现对油膜压力分布的测试； 3 测量进油孔和出油孔对压力分布的影响： 4 改变润滑油粘度的情况下，测量油膜压力的分布。 2 4 轴承实验装置对伺服控制系统的要求 轴承实验装置伺服控制系统按照实验条件的要求为主轴提供不同的位置、转 速驱动动力，必须具备高性能、高精度的伺服控制特点。为实现在不同压力、转 速条件下对滑动轴承径向油膜压力的精确测量，伺服控制系统必须满足以下使用 要求： 1 根据指令随时发出轴承试验台运转、停止控制信号。 2 根据油膜压力测试条件的要求，即时调整轴承实验台的主轴运转位置与 速度。 3 能够实现精确无级调速，在高速、低速条件下运行稳定，最高转速3 0 0 0 r m ， 最低转速1 0 r ，m 。 4 伺服驱动系统运行可靠，速度响应快。 5 伺服系统振动小，耐冲击。 6 对轴承实验装置速度、转矩信号的实时监视。 7 具备即时信号数据的采集、传输、处理能力。 8 友好的人机交互界面。 2 5 轴承实验装置伺服控制系统构成 根据轴承实验台的使用要求，伺服控制系统应由以下部分组成： 1 上位控制计算机 上位控制计算机提供人机交互界面，接收操作人员的各项控制指令，并与控 制电路板通信，发出指令，接收电路板上传的各种数据信号，显示当前系统信息 l o 第2 章轴承实验装置介绍及伺n - - j 区动装置选择 等。 2 p c b 电路板 p c b 电路板接收上位机的控制指令进行译码后指令伺服驱动装置以相应的 速度、位置运动控制方式运转，同时采样模拟信号进行数模转换后上传。基于电 子系统的柔性设计思想，本课题将采用在系统可编程单片机8 9 s 5 2 ，在系统可编 程复杂逻辑器件( c p l d ) x c 9 5 1 0 8 作为核心控制芯片，这样可以简化电路结构， 并在不改变电路板的情况下实现系统的软件升级。系统中单片机负责与上位机的 通信，并基于上位机指令向其他元件发出控制指令，c p l d 芯片负责电机控制脉 冲的发出，在高频下脉冲控制更加稳定和精确，模拟信号采集使用两路a d l 6 7 4 芯片，双极1 2 位转换精度，转换时间1 0 u s 。 3 伺服驱动装置 伺服驱动装置是伺服控制系统中的执行部件，根据p c b 电路板发出的的控 制指令运转，带动轴承试验台转动完成伺服系统的驱动任务。常用的数字控制伺 服驱动装置有伺服电机和步进电机等。 图2 6 伺服控制系统框图 由上述部分构成的伺服控制系统实现的基本功能：上位微机采用v b 设计人 机交互程序，接收操作人员输入的指令进行相应的处理后以串行通信方式与p c b 山东大学硕士学何论文 皇i i ii 曼鼍曼曼曼曼量曼鼍曼鼍曼量量曼曼晕鼍曼量量寰皇! 曼曼曼曼皇皇曼! 曼曼! ! ! ! 曼皇! 量曼曼曼曼皇! 曼曼鼍曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼 电路板上的单片机m c u 通信，m c u 对数据进行处理后指令电路板上的c p l d 可 编程逻辑器件发出差分脉冲指令交流伺服电机执行相应动作，轴承实验装置将按 照指令的速度和位置信号开始运转，同时m c u 两路独立a d 采样实验台速度、 转矩信号译码后在监视数码管上显示并回送上位控制机存储、绘制图形。结构框 图如图2 6 所示。 2 6 轴承实验装置伺服驱动装置的选择 现有滑动轴承试验台的驱动系统大部分采用交流电机加变频器、直流电机加 驱动装置等方式实现调速。第一种方经济实用，但控制精度较低，对试验台有一 定干扰。直流电机的调速主要是变电压调速，电源电压一般能实现连续平滑的改 变，可实现无级调速，缺点是调压设备复杂，调节电枢供电电压需要专门的可控 直流电源。 现代控制中，经常用伺服电机和步进电机作为控制执行远件，控制精度高、 惯量小，调速简单且精度较高。考虑从伺服电机和步进电机中选用试验装置的驱 动电机。 伺服电机和步进电机主要性能区别为： 1 控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为3 6 。、1 8 。，五相 混合式步进电机步距角一般为0 7 2 。、0 3 6 。，也有一些高性能的步进电机步距 角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数 字式交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部 采用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 。 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。 2 低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载 情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由 步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。交流 伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ， 可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3 矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时 第2 章轴承实验装置介绍及伺服驱动装置选择 曼皇曼! 蔓! ! 曼鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 皇曼曼曼皇! ! ! ! ! 曼! 曼鼍曼曼! ! 曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇皇曼! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! 曼曼曼! 皇! 曼曼曼曼蔓 会急剧下降，所以其最高工作转速一般在3 0 0 , - 一6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩 输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩， 在额定转速以上为恒功率输出。 4 过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的 过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大 转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机 因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转 矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的 现象。 5 运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易 出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制 精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对 电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电 机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6 速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速，需要2 0 0 - 4 0 0 毫 秒。交流伺服系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。 交流伺服电机在许多性能方面都优于步进电机，因此本课题试伺服驱动装置 选用交流伺服电机，并选用与之配套的驱动器。 根据轴承实验装置功率及工作转速的要求，驱动电机选用松下m i n a sa 系列 交流伺服电机m s m a 3 0 2 d 1 g 永磁交流伺服电机和m f d d t a 3 9 0 驱动控制器。 松下m s m a 3 0 2 d i g 交流伺服电机的主要技术参数： 输出功率： 3 k w 额定转速：3 0 0 0 ，m i n 最高转速： 5 0 0 0 ，m i n 电压： a c 2 0 0 v 该系列伺服电机的主要特点有： 1 采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2 倍，达到5 0 0 k h z ；定位 超调整定时间缩短为以往产品松下伺服电机v 系列i 4 。 山东大学硕士学位论文 2 具有共振抑制和控制功能：可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位。 3 具有全闭环控制功能：通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一 步提高系统精度。 4 具有一系列方便使用的功能： 内藏频率解析机能( f f t ) ，从而可检测出机械的共振点，便于系统调 整。 有两种自动增益调整方式：常规自动增益调整和实时自动增益调整。 配有r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 c 通信口，上位控制器可同时控制多达1 6 个轴。 5 电机防护等级达i p 6 5 ，环境适应性强。 6 可配用多种编码器，适应各种用户需要： 普通型：2 5 0 0 p r 增量式编码器。 高精度型：1 7 位型( 2 1 7 ) 增量式编码器。 特殊型：1 7 位型( 2 1 7 ) 绝对式编码器。 2 7 本章小结 本章首先介绍了滑动轴承实验装置功能、机械结构和工作原理，在此基础上 针对该实验装置的特点对伺服控制系统提出了基本设计要求，并绘制了系统的基 本结构框图，在此基础上通过对比交流伺服电机与步进电机的优缺点选择了松下 m i n a sa 系列交流伺服电机m s m a 3 0 2 d 1 g 永磁交流伺服电机和m f d d t a 3 9 0 驱动控制 器作为伺服驱动装置，并对该系列产品的主要特点进行了介绍。 1 4 第3 章m i n a sa 伺服电机分析、参数设定与调整 第3 章 n a sa 伺服电机分析、参数设定与调整 本章重点介绍上一章节选定的m s m a 3 0 2 d 1 g 永磁交流伺服电机和m f d d t a 3 9 0 驱动控制器，该伺服驱动装置属于松下公司的m i n a sa 系列交流伺服电机，通过 对电机功能及参数的详细分析将为下一步控制板卡的开发设计和相关参数计算提 供重要的设计依据。 3 1永磁交流伺服电机结构与原理 m i n a sa 系列交流伺服电机( 如图3 1 ) 为永磁式交流同步电机。 伊1 * j ，7 l 一 赫葫篷 图3 _ 1m i n a sa 系夕u 交流伺服电机 1 永磁交流伺服电机的结构 永磁式交流伺服电机主要由三部分构成，包括定子、转子和检测元件，转子由 多块永磁铁和铁心构成，同一种铁心和相同的磁铁块数可以组成不同的级数。定 子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电机的定子相同，但其轮廓多设计为 多边形且无外壳，以利于散热。 1 一定子2 转子3 一定子三相绕组4 一编码器5 出线盒 图3 2 永磁式交流伺服电机结构图 山东大学硕士学位论文 2 交流伺服电机的变频调速 交流伺服电机多采用变频变压的调速方式，变频调速的关键环节是能为变频电 机提供变频电源的变频器，现在变频调速多使用p w m 型变频器，它采用脉宽调 制原理，具有很多优点。p w m 型变频器发展很快，出现了很多调制方法，下面 主要介绍m i n a sa 系列交流伺服电机使用的s p w m ( 正弦脉宽调制) 型变频器 工作原理。 s p w m 型变频器属于交流直流交流静止变频装置，它将5 0 h z 交流电经过 变压、二极管整流和电容滤波后得到恒定的直流电压，然后送到6 各大功率晶体 管组成的逆变器电路中，输出三相电压和频率均可调制的等效于正弦波的脉宽调 制波( s p w m 波) ，即可拖动三相异步电机。 s p w m 变频器可以产生正弦脉宽调制波，即s p w m 波形，如图3 3 所示。 其工作原理为：把一个正弦半波分成n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐 标围成的面积都用一个面积与此相等的等高矩形脉冲来代替，这样可以得到一系 列等高但不等宽的脉冲序列，它对应着一个正弦波的半周，对正负半周都这样处 理就可以得到2 n 个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦调制波。 摩 蠢寓囊 霪 l l l 笺 b 等效的s p w m 被彩 图3 3正弦调制波 3 2 交流伺服驱动器工作原理 嘲墨 訇3 4m i n a s a 伺服驱动器 交流伺服驱动器是将交流伺服电机控制与驱动电路组合的装置，如图3 _ 4 所 示，具有响应速度快、抗干扰能力强、转速控制稳定等优点。 1 6 可魍 网闺 第3 章m i n a s a 伺服电机分析、参数设定与调整 交流伺服驱动器由主电路、控制电路和保护电路组成。 3 2 1 主电路 交流伺服驱动器主电路由变换器和逆变器组成，变换器将输入的三相交流电 转换为直流电，并进行滤波后抑制电压波动，逆变器采用s p w m 控制方式，当 主回路接通三相交流电压时逆变器就能产生电压、频率可调的三相正弦调制波， 主开关元件采用晶体管，大功率驱动器常采用能通过大电流的功率晶体管，常用 的电力电子元件有i g b t , g t o ，m o s f e t 等，为了发挥交流伺服电机的性能需要 供给电机稳定的电压，电压波动应在电机允许范围内，但只在额定电压时获得电 机的转矩转速特性曲线，因此伺服电机的转矩特性是随着电压波动而变化的。 3 2 2 控制电路 控制电路由转速控制部分、电流控制部分、解算装置控制部分、定位控制部 分等组成。控制电源与主电源接通时，交流伺服驱动器准备工作完毕，输入运行 速度指令，则转速控制电路指令电机以相应转速运转，如图3 5 所示，+ 1 0 v 电 机处于正向最高转速，1 0 v 电机处于反向最高转速。 电流控制部分是根据转速控制部分根据指令输出的指令电流限定电机的最大 电流，限流值为额定电流的3 0 0 。如果从外部输入限流指令则按照外部指令决 定限流值。图3 6 示外部限流电压与转矩之间的关系。 转建 m x 刁t t _ 一 o 1 0 一 i 一 i z 一知聃x 转建纂穗 ( v ) 图3 - 5 转速基准与转速的关系 图3 - 6 限流电压与转矩的关系 1 7 山东大学硕十学位论文 解算控制部分可以根据电机的位置输出双通道解算脉冲信号，10 2 4 脉冲转， 两通道相位相差9 0 度，脉冲占空比为5 0 ，同时输出零位信号。1 脉冲，转，脉 冲占空比为5 0 ，根据解算装置的输出脉冲可得到电机的精确位置信号。 定位控制部分原理如图3 7 所示，该部分可以接收数字脉冲指令信号，指令 脉冲由偏差脉冲积分器累计，累计量由d a 转换为模拟指令电压送到驱动器作为 速度控制指令，电机根据指令速度旋转，同时解算装置输出与电机转角成比例的 脉冲信号作为反馈脉冲，该信号经过整形，方向判断与偏差积分器相减直到为零， 若连续输入脉冲指令则重复以上动作。 彻孽厩湘旧皋r 珊懈狰囊生- h 篇h 茹翁降 ii ： l ll 厥翮矬叫 乙一一。! = ! j 【。一一一_j 图3 7 定位控制原理图 3 3m i n a sa 系列驱动器参数 3 3 1 通用技术规格 1 输入电源 舅奄砷瓠 磊i 耳r a 曩秘r 弋二= ： 主回路电源：单相，三相 2 0 0 2 4 0 v5 0 6 0 h z 控制回路电源：单相 2 0 0 - 2 4 0 v5 0 6 0 h z 2 工况 工作温度：0 - 5 5 。，保存温度：一2 0 。- 8 0 。，湿度小于9 0 ， 振动不得大于5 。8 8m s 2 3 控制方式 i g b tp w m 正弦波控制方式 4 控制模式 弋乡 一算麓t 第3 章m i n a sa 伺服电机分析、参数设定与调整 位置控制速度控制转矩控制位置速度控制 位置转矩控制速度转矩控制全闭环控制 为满足轴承实验装置的伺服驱动要求，在此选用位置控制模式。 3 3 2 位置控制信号接线及说明 图3 8位置控制方式信号接线图 1 9 山东大学硕士学位论文 3 3 2 1 输入信号及其功能 引脚4 4 、4 5 连接指令脉冲l ，p u l s h l ，p u l s h 2 ，引脚4 6 、4 7 连接指令脉冲2 ， s i g n h l ，s i g n h 2 ，采用差分专用电路接口的最大脉冲频率为2 m p p s ，采用普通光 耦电路接口的最大脉冲频率为5 0 0 k p p s ，通过p r 4 1 ( 指令脉冲旋转方向设置) 和 p r 4 2 ( 脉冲指令输入方式) 的组合设置，可以选择6 种不同的指令输入形式，见 表3 1 ： 表3 - 1 脉冲指令输入形式 勃q l秘噜2 舅i 酶浮燕掣伫骘记骘e e w 象令 c _ 孵办夸 o 芷黧辑摔琊 t 尊_ ：_ _ - -一警同嗣 壤 b 辑糕 塞奠：! 雕n 警：担! n 2 舻籀麓蚴 b 相鳜捧勉艘轰耩亭护毒楣擞捧稳岩a 张彗泸 。il r _ 1r 一 错躲摔哪 口j ii 。uu 童 兰l 一| o 0 0 铭糍挣 翻i 磁 荔 夸毂挣懈跚厂跚r 3 1l 辩令方岛 一蝣 # 籀魄警 垢卜 一| 西 i 毵峨笮f 燃 o最奎鲧捧吣鬯网羽；蟛：风厂 壤气b 辩攒 器冀：明：n够：雕r 2 蟛棚麓燃 e 耩赫粹越靛a 桐拶 饿琢挣蹦 同目 r 移 l ； l c 铡酝狰 垃聊r 帮令酥捧 獬 凹r | 跚厂 3 刊蔷鼍魄甲葛粥葛封焉魄警 l 搿夸方冉 匀麟 2 0 第3 章m i n a sa 伺服电机分析、参数设定与调整 3 3 2 2 输出信号及其功能 1 通用输出信号 伺服报警信号( a l m + ，a l m 一) 分别连接至引脚3 7 ，3 6 ，当报警状态发生时，此输出晶体管关断。 伺服准备好( s - r d y + ，s - r d y - ) 分别连接至引脚3 5 ，3 4 ，当控制电源接通而且没有报警发生时，此输出晶体管 导通。 制动器释放( b r k o f f + ，b r k o f f 一) 分别连接至引脚11 ，1 0 ，当保持制动器释放时，此输出晶体管导通，此输出信 号的时序可用参数p r 6 a ( 电机停止时机械制动器延迟时间) 和p r 6 b ( 电机运转时机 械制动器延迟时间) 设置。 零速检测( z s p ) 连接至引脚1 2 ，用参数p r o a ( z s p 输出选择) 选择这个信号的输出内容。 转矩限制( t l c ) 。 连接至引脚4 0 ，用参数p r o a ( t l c 输出选择) 选择这个信号的输出内容。 定位完成或速度到达( c o i n + ，c o i n - ) 分别连接至引脚3 9 ，3 8 ，在位置控制模式下输出定位完成信号，当位置偏差脉 冲数小于定位完成范围设定值时，此输出晶体管导通。 2 脉冲输出信号 a 相输出( o a + ，o a 一) b 相输出( o b + ，o b 一) c 相输出( o z + ，o z 一) 分别连接至引脚2 1 ，2 2 ，4 8 ，4 9 ，2 3 ，2 4 ，输出经过分频处理的编码器信号或 外部反馈装置信号。 z 相输出( c z ) 输出z 相的集电极开路输出信号。 3 模拟输出信号 速度监视器输出( s p ) 连接至引脚4 3 ，用参数p r 0 7 选择这个信号的输出内容，见表3 2 。 2 1 山东大学硕士学位论文 表3 - 2 速度监视输出形式 p r 0 7 输出内容 功能 0 4 电机转速输出带极性，等比于电机转速的模拟电压 5 - 9 指令转速输出带极性，等比于指令转速的模拟电压 转矩监视器输出( i m ) 连接至引脚4 2 ，用参数p r 0 8 选择这个信号的输出内容，见表3 - 3 。 表3 3 转矩监视输出形式 p r 0 8 输出内容功能 o1 11 2 转矩指令输出带极性，等比于指令转矩或位置偏差脉冲数 的模拟电压 1 - 5 偏差脉冲数输出带极性，等比于偏差脉冲数的模拟电压 6 - 1 0 全闭环偏差脉冲数输出带极性，等比于外部反馈装置偏差脉冲数的 模拟电压 3 3 2 3 相关重要控制参数设定值 控制方式选择( p r 0 2 ) 0 ：位置控制 1 ：速度控制 2 ：转距控制 自动增益时调整机械刚性( p r 2 2 ) 滚珠丝杠与电机直连：4 - - 8 ； 滚珠丝杠+ 同步带：3 6 ； 同步带：2 5 ： 齿轮连接：1 - - 3 ： 其他低刚性：1 - - 3 。 具体数值可通过调试设定 第3 章m i n a sa 伺服电机分析、参数设定与调整 指令脉冲输入方式选择( p r 4 2 ) o 或2 ：正交脉冲，a 、b 两相相差9 0 。 1 ：c w 脉冲或c c w 脉冲 3 ： 指令脉冲加指令方向 伺服器主电源关断时相关动作( p r 6 7 ) 设为“4 ”，减速时动态制动器有效，停转后保持动态制动器有效；保持偏差 计数器内容。 第一指令脉冲分倍频分子( p r 4 6 ) 指令脉冲分倍频的分子倍率( p r 4 a ) 指令脉冲分倍频的分母( p r 4 b ) 上述三个值需要经过计算设定，主控器发给伺服器f 个脉冲使电机转一圈；实 际电机转一圈编码器反馈f 个脉冲；此处任务是设定p r 4 6 、p r 4 a 、p r 4 b 的值， 使f 等于编码器的分辨率( 1 0 0 0 0 或2 1 7 ) ： f = f x ( p r 4 6 x 2 p r 4 a ) p r 4 b ， 其中，仁螺距，脉冲当量 即( p r 4 6 x 2 p r 4 a ) p r 4 b = 编码器分辨率x 脉冲当量螺距 假设典型值：螺距5 m m ，编码器分辨率1 0 0 0 0 ，连轴器直拖，脉冲当量 0 0 0 1 m m 时： ( p r 4 6 x 2 p r 4 a ) p r 4 b = 2 1 故p r 4 6 = 1 ，p r 4 a = 1 ，p r 4 b = i 。 脉冲当量为0 0 0 0 5 时，p r 4 6 = 1 ，p r 4 a = i ，p r 4 b = 2 。 3 4 手动调整方法 m i n a sa 系列交流伺服电机提供自动增益调整功能，如图3 1 0 所示，在位 置控制模式下，伺服电机内部控制系统由速度环( 包括前馈控制和反馈控制) 、位 置环两个闭环控制组成，同时使用陷波器进行滤波防止系统