伺服电机控制与应用详细教学

1、 1 1、交流伺服电动机交流伺服电动机 2 2、直流伺服电动机直流伺服电动机 在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没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 大小和相位大小和相位( (或极性或极性) )就可改变伺服电动机的转速和就可改变伺服电动机的转速和 转向。转向。 1.21.2伺服电机最大特点伺服电机最大特点 (1)(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电调速范围宽广。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。压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)(2)转子的惯性小，即

2、能实现迅速启动、停转。转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。控制功率小，过载能力强，可靠性好。 1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用伺服电机在自控制系统中的典型应用 其它场合的应用其它场合的应用 伺服电机伺服电机 伺服电机驱动器伺服电机驱动器 伺服电机伺服电机 伺服电机驱动器伺服电机驱动器 松下交流伺服电机及驱动器松下交流伺服电机及驱动器安川伺服电机驱动器安川伺服电机驱动器 交流伺服电机系统交流伺服电机系统 驱动器驱动器 交流伺服交流伺服 电机器电机器 2.12.1 结构结构 交流电机交流电机 编码器编码器 交流电机交流电机 电源线电源线 编码

3、器信编码器信 号输出线号输出线 1.2.11.2.1 结构结构 交流电机交流电机 减速齿轮减速齿轮 机械负载轴机械负载轴 励磁绕组励磁绕组 控制绕组控制绕组 励磁电压励磁电压 控制电压控制电压 转转 子子 定子定子 壳体壳体 转转 子子 定定 子子 壳壳 体体 电气原理图电气原理图 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 控制绕组与励磁控制绕组与励磁 绕组相差绕组相差900 (1) 转子转子 铁芯槽内放铜条铁芯槽内放铜条,端端 部用短路环形成一体部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。 铸铝的笼型转子铸铝的笼型转子 转转 子子 定子定子 壳体壳体 2、 转子转子 笼型转子笼型

4、转子 (2) 杯杯转子纲转子纲 薄壁园筒形，放于内外定薄壁园筒形，放于内外定 子之间子之间。一般壁厚为。一般壁厚为0.3mm 杯型转子杯型转子 转转 子子 定子定子 壳体壳体 2.2 2.2 转动原理转动原理 2.2 2.2 转动原理转动原理 2.2 2.2 转动原理转动原理 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 顺时纠方向以顺时纠方向以n n0 0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向的转速旋转，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，切割转子导条，在转子导条中就产生感应电

5、势。根据右手定则， N N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S S极下导条的极下导条的 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。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

6、个电磁力相互作用产生电磁力，这个电磁力F F作用在转子上，并对转轴形作用在转子上，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。顺着磁铁旋转的方向转动起来。 电气原理图电气原理图 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 cf mf mc 90sin sin Ii tIi tIi 控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组 当两相对称电流通入两相对称绕组时当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就

7、产生一个旋在电机内就产生一个旋 转磁场转磁场。当电流变化一个周期时当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈旋转磁场在空间转了一圈。 UC1UC2 UF1 UF2 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 旋转磁场的转速决定于定子绕组旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率极对数和电源的频率。图所表。图所表 示的是一台两极的电机，即极对数示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电。对两极电机而言，电 流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当 电源频率电源频率f400 Hs，即每秒变化，即每秒变化400个周期时

8、，磁场每秒应当个周期时，磁场每秒应当 转转400圈，故对两极电机，即圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为而言，旋转磁场转速为 n0= 24000 rmin 旋转磁场转速为的一般表达式为旋转磁场转速为的一般表达式为 min)/( 60 )/( 0 r p f sr p f n 对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零对于伺服电动机，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，就是控制电压信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC0，这时，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

9、形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁NS 和和NS在空间以相反方向旋转。在空间以相反方向旋转。 当电阻已增大到使临界转差率当电阻已增大到使临界转差率1 1的程度时，合成转矩曲线与横的程度时，合成转矩曲线与横 轴相交仅有一点轴相交仅有一点(S(S1 1处处) )，而且在电机运行范围内，合成转矩，而且在电机运行范围内，合成转矩 均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压U UC C取消变为单相运行取消变为单相运行 时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起

10、促使电机迅电机迅 速停转速停转，这样就不会产生自转现象。，这样就不会产生自转现象。 设电机的负载阻转矩为设电机的负载阻转矩为TL， 控制电压控制电压0.25UC时时,电机在特性点电机在特性点 A运行，转速为运行，转速为na，这时电机产生，这时电机产生 的转矩与负载阻转矩相平衡。当的转矩与负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到控制电压升高到0.5UC时，电机产时，电机产 生的转矩就随之增加生的转矩就随之增加C，由于电机由于电机 的转子及其负载存在着惯性，转的转子及其负载存在着惯性，转 速不能瞬时改变，因此电机就要速不能瞬时改变，因此电机就要 瞬时地在特性点瞬时地在特性点C运行，这时电机运行，这时电

11、机 产生的转矩大于负载阻转矩，电产生的转矩大于负载阻转矩，电 机就加速，一直增加到机就加速，一直增加到nb，电机，电机 就在就在B点运行。点运行。 伺服电动机的机械特性伺服电动机的机械特性 A B C 结论：结论：改变控制电压的大改变控制电压的大 小，就实现了转速的控制小，就实现了转速的控制 编码器编码器 部分部分 安装在电机后端，其转盘（光栅）安装在电机后端，其转盘（光栅） 与电机同轴。与电机同轴。 5V 5V 0V0V 伺服电机控制精度取决于编码器精度。伺服电机控制精度取决于编码器精度。 编码器编码器 1 1、主要功能、主要功能 （1 1）根据给定信号输出与）根据给定信号输出与 此成正比的

12、控制电压此成正比的控制电压UCUC； （2 2）接收编码器的速度和）接收编码器的速度和 位置信号；位置信号； （3 3）I/OI/O信号接口信号接口 数码显示窗口数码显示窗口 参数设置键参数设置键 计算机计算机RS232口口 I/O信号接口信号接口 编码器信号接口编码器信号接口 电机电源输入电机电源输入 输出接线端子输出接线端子 2、外部组成、外部组成 3 3、控制模式、控制模式 （1 1）位置控制模式）位置控制模式最大输入脉冲最大输入脉冲 频率频率500KPPS500KPPS（微分接收器）和（微分接收器）和 200KPPS200KPPS（用于开路收集器）（用于开路收集器） （2 2）速度控制

13、模式）速度控制模式 模拟速度指令模拟速度指令 输入：输入：0 010V/10V/额定转速额定转速 （3 3）力矩控制模式）力矩控制模式模拟力矩指令模拟力矩指令 输入：输入：0 010V/10V/最大力矩最大力矩 M RE A/D 功率放大功率放大 器器 序列控制器序列控制器误差检出误差检出 门激励门激励 8888888 操作人员接口操作人员接口 参数控制参数控制 EEPROM保护电路保护电路 A/D 位置误差计数器位置误差计数器放大器放大器 速度误差速度误差 放大器放大器 速度检出速度检出 内速度指令内速度指令 转矩限位转矩限位 电流控制电流控制 PWM 电路电路 处理编码器信号处理编码器信号

14、 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、原理框图 交流伺服电机系统应用交流伺服电机系统应用 图图 2-2 2-2 交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机系统接线示意图 交流伺服电机驱动器 连接连接AC220V I/O板板 交流伺服电机系统结构交流伺服电机系统结构 PC机机 运动控制器运动控制器 I/O 电电 路路 驱驱 动动 器器 电电 机机 Pulse 0/1 P9-0/2 CN SIG 控制 电压 编码器 反馈信号 轴号

15、 0/1 数据信号 使能信号使能信号 DO 21/22 速度信号速度信号 DAC 0/1 交流伺服电机系统应用交流伺服电机系统应用 交流伺服电机系统结构交流伺服电机系统结构 1 、设置参数 方法一方法一 联接计算机使用联接计算机使用 软件设置软件设置 方法二方法二 直接在驱动器直接在驱动器 面板按钮设置面板按钮设置 交流伺服电机系统使用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、启动软件 2、修改参数、修改参数NO.19=000E (允许参数改写允许参数改写) 3 3、修改参数、修改参数O.41=0001O.41=0001 （内部使能）（内部使能） 4 4、正反转试运行、正

16、反转试运行 1 、设置参数 1 1、启动软件、启动软件 2 2、进入、进入TESTTEST功能，使用功能，使用JOGJOG 模式调试系统模式调试系统 3 3、正反转试运行、正反转试运行 2 、使用计算机调试伺服电机系统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 3、使用驱动器操作面板手动使用驱动器操作面板手动 调试伺服电机系统调试伺服电机系统 4、按UP键多次直至显示TEST1 5、按住SET直至显示窗显示D-01并闪烁 6、按UP正转，按DOWN反转

17、1、接通电源显示窗口显示 数字为设备连接正确。 如：设置参数如：设置参数NO19NO19 3、按DOWN或UP键多次，直至显示P 19 4、按SET键，显示窗显示0000 5、按SET键，显示窗0000闪烁 2、按MODE键多次，直至显示数P 00 6、按DOWN或UP键多次，直至显示000E 7、按SET键，再次通电。设置生效。 3 3、使用驱动器操作面板手动使用驱动器操作面板手动 设置参数的方法设置参数的方法 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易 因过载而损坏。因过载而损坏。 1. 对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或对于连续运行的伺服

18、电动机，所选功率应等于或 略大于生产机械的功率。略大于生产机械的功率。 2. 对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短 暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械 的功率。的功率。 一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速 和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电 机机,如直线电机等。如直线电机等。 根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，根据工作方式和工作环境的条件选择不同

19、的结构型式， 如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平 衡的场合选用大惯量伺服电机衡的场合选用大惯量伺服电机 1 1空载始动电压空载始动电压U UCO CO 在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任 意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载 始动电压。始动电压。 用通过以额定控制电压的百分比来表示。用通过以额定控制电压的百分比来表示。 U UCO CO 越 越 小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般U

20、UCO CO要求不大 要求不大 于额定控制电压的于额定控制电压的3%3%4 4，使用于精密仪器仪表，使用于精密仪器仪表 中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压 的的1 1。 2 2机械特性非线性度机械特性非线性度KmKm 在额定励磁电压下，任意在额定励磁电压下，任意 控制电压时的实际机械待性与控制电压时的实际机械待性与 线性机械特性在转矩线性机械特性在转矩T TT Td d2 2 时的转速偏差时的转速偏差n n与空载转速与空载转速 n n0 0( (对称状态时对称状态时) )之比的百分数，之比的百分数， 定义为机械待性非线性度。定义为机械待

21、性非线性度。 %100 0 n k n m 一般要求一般要求Km10 20 3 3调节特性非线性度调节特性非线性度K Kv v 在额定励隘电压和空载情在额定励隘电压和空载情 况下，当控制电压况下，当控制电压0.70.7时，时， 实际调节特性与线性调节特实际调节特性与线性调节特 性的转速偏差性的转速偏差n与与控制电压控制电压 1 1时的空载转速时的空载转速n n0 0之比的百之比的百 分数定义为调节特性非线性分数定义为调节特性非线性 度，即度，即: : %100 0 n k n v 一般要求一般要求 Kv20 25 4堵转特性非线性度堵转特性非线性度kd 在额定励磁电压下，实际在额定励磁电压下，

22、实际 堵转特性与线性堵转持性的最堵转特性与线性堵转持性的最 大转矩偏差大转矩偏差(Tdn)max与控制与控制 电压电压1时的堵转转矩时的堵转转矩Tdo之比之比 值的百分数，定义为堵转待性值的百分数，定义为堵转待性 非线性，即非线性，即 %100 )( 0 max d dn d T T k 以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近 直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。 一般要求一般要求 Kd5 1 1电压电压 技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定 值。励

23、磁电压允许变动范围为土值。励磁电压允许变动范围为土5 5左右。电压太高，左右。电压太高， 电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速 时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组 两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大， 其值如果超过额定值太多，会使电机过热。其值如果超过额定值太多，会使电机过热。 控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在 幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场幅值控制条件下加上

24、这个电压就能得到圆形旋转磁场 2 2频率频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类， 低频为低频为50 HZ(50 HZ(或或60HZ)60HZ)，中，中频频为为400HZ(400HZ(或或500HZ)500HZ)。因。因 为频率越高，涡流损耗越大，所以中为频率越高，涡流损耗越大，所以中频频电机的铁心用电机的铁心用 较薄的较薄的( (0.2mm2mm以下以下) )硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低 频电机则用频电机则用0.35350.5mm5mm的硅钢片。的硅钢片。 低频电机不应该用中低频电机不应该用中频频电源，中频电机也

25、不应该电源，中频电机也不应该 用低频电源，否则电机性能会变差。用低频电源，否则电机性能会变差。 在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代 替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值， 这样，电机发热可以基本上不变。例如一台这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500 Hz500 Hz、110V110V的电的电 机，如果用在机，如果用在400 Hz400 Hz时，那末加到电机上的电压就应改成时，那末加到电机上的电压就应改成 11011040040050050088V88

26、V。 3 3堵转转矩，堵转电流堵转转矩，堵转电流 定子两相绕组加上额定电压，转速等于定子两相绕组加上额定电压，转速等于0 0时的输时的输 出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕 组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。 堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放 大器的依据。大器的依据。 4 4空载转速空载转速 定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载 时的转速称为空载转速时的转速称为空载转速n n0 0。空载转速与电机的极数有。空载转速与电机的极数有 关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同 步速。步速。 5 5额定输出功率额定输出功率 当电机处于对称状态时，输出当电机处于对称状态时，输