伺服电机及其控制原理

1、1CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 伺服电机及其控制原理伺服电机及其控制原理 TPM基础知识的培训素材基础知识的培训素材 2CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 目目 录录 1 1 伺服系统伺服系统 1.1 伺服概述 1.2 伺服系统组成 1.3 伺服系统分类 2 2 伺服电机伺服电机 2.1 伺服电机概述 2.2 伺服电机组成和分类 2.3 交流伺服电机原理 2.4 松下伺服电机的应用和故障分析 3 3 伺服控制器伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设

2、置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理 2 3CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 1.1 伺服概述伺服概述 伺服(Servo)，指系统跟随外部指令进行人们所期 望的运动，运动要素包括位置、速度、加速度 和力矩。 3 4CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 伺服控制系统(servo control system) 是所有机电一体化设备的核心，它的基 本设计要求是输出量能迅速而准确地响应 输入指令的变化，如机械手控制系统的目 标是使机械手能够按照指定的轨迹进行运 动。象这种输出量以一定准确度随时跟踪 输入量（指定目标）变化的控制系

3、统称为 伺服控制系统，因此，伺服系统也称为随 动系统或自动跟踪系统。它是以机械量如 位移、速度、加速度、力、力矩等作为被 控量的一种自动控制系统。 4 5CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 5 输入量 输出量 控制操作 输入量 控制操作 输出量 测量 反馈环 6CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 1.2 伺服系统组成伺服系统组成 从自动控制理论的角度来分析，伺服控制 系统一般包括控制器、被控对象、执行环 节、检测环节、比较环节等五部分。 6 7CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 伺服系统组成原理框

4、7 8CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 比较环节比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的 反馈信号进行比较，以获得输出与输入 间的偏差信号的环节，通常由专门的电 路或计算机来实现 8 9CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 控制器控制器 控制器是伺服控制系统里面的调节元件， 通常是计算机或PID（比例-积分-微分） 控制电路，其主要任务是对比较元件输 出的偏差信号进行变换处理，以控制执 行元件按要求动作。 9 10CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 执行环节执行环节 执行环节的作用是按控制信号的

5、要求， 将输入的各种形式的能量转换成机械能， 驱动被控对象工作。 10 11CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 被控对象被控对象 被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。 11 12CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 检测环节检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转 换成比较环节所需要的量纲的装置，一 般包括传感器和转换电路。 12 13CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 需要注意：需要注意： 在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节

6、在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。 13 14CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 1.3 1.3 伺服系统分类伺服系统分类 伺服系统可分为三类伺服系统可分为三类 开环伺服控制系统开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统闭环伺服控制系统 14 15CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 开环伺服控制系统开环伺服控制系统 (open loop) 控制系统没有检测反馈 装置则称为开环伺服系 统。 常用的执行元件是步进 电机，通常以步进电机 作为执行元件

7、的开环系 统是步进式伺服系统， 在这种系统中，如果是 大功率驱动时，用步进 电机作为执行元件。 驱动电路的主要任务是 将指令脉冲转化为驱动 执行元件所需的信号。 开环伺服系统结构简单， 但精度不是很高。 15 开环伺服系统结构简图开环伺服系统结构简图 数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。 16CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 位置控制 控制器 （装置） 步进 驱动器 步进马达 开环伺服控制系统开环伺服控制系统 没有反馈、只能进行一个方

8、向的控制。 使用步进马达。 方向指令 17CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 位置控制 控制器 （装置） 步进 驱动器 步进马达 步进角 脉冲马达 指令脉冲 脉冲 例 步进角 .的情况 脉冲 .的动作 脉冲 （圈） 开环伺服控制回路开环伺服控制回路 18CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 位置控制 控制器 （装置） 步进 驱动器 步进马达 开环伺服控制回路开环伺服控制回路 位置 速度 脉冲数 脉冲频率 19CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 位置控制 控制器 （装置） 步进驱动器 步进马达 开环伺服

9、控制回路开环伺服控制回路 注意点 有失步的可能性 急速负荷变动 急速速度变动 原因 20CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 半闭环伺服控制系统半闭环伺服控制系统 (Semi-closed loop) 通常把检测元件安装在 电机轴端而组成的伺服 系统称为半闭环系统。 它与全闭环伺服系统的 区别在于其检测元件位 于系统传动链的中间。 20 半闭环伺服系统简图半闭环伺服系统简图 工作台的位置通过电机上的传感器或是 安装在丝杆轴端的编码器间接获得。 由于有部分传动链在系统 闭环之外，故其定位精度 比全闭环的稍差。但由于 测量角位移比测量线位移 容易，并可在传动链的任 何

10、转动部位进行角位移的 测量和反馈，故结构比较 简单，调整、维护也比较 方便。 由于将惯性质量很大的工作台排除在闭 环之外，这种系统调试较容易、稳定性 好，具有较高的性价比，被广泛应用于 各种机电一体化设备。 21CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 全闭环伺服控制系统全闭环伺服控制系统 (Full-closed loop) 全闭环伺服系统主要由 执行元件、检测元件、 比较环节、驱动电路和 被控对象五部分组成。 在闭环系统中，检测元 件将被控对象移动部件 的实际位置检测出来并 转换成电信号反馈给比 较环节。 常见的检测元件有旋转 变压器、感应同步器、 光栅、磁栅和编

11、码器等。 21 全闭环系统结构简图全闭环系统结构简图 机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性 等非线性因素都会给伺服系统造成影响， 从而使系统的控制和调试变得异常复杂， 因此，全闭环伺服系统主要用于高精密 和大型的机电一体化设备。 全闭环伺服系统将位置检测器件直接 安装在工作台上，从而可获得工作台 实际位置的精确信息。 22CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 半闭环伺服控制回路半闭环伺服控制回路 位置控制 控制器 （装置） 伺服 驱动器 伺服马达 编码器 闭环伺服控制回路闭环伺服控制回路 位置控制 控制器 （装置） 伺服驱动器 伺服马达 编码器 丝性标尺 23CON

12、FIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 23 伺服系统在实际生产设备中的伺服系统在实际生产设备中的 应用应用 绕管机：皮带线伺服控制、绕管机1#2#工位伺服电机控制 易碎管机：6#工位影像系统伺服电机控制 挤管线：绕圈机A、B组绕圈，大转盘，导线杆伺服控制 Minicap：1-4#加盖机上料皮带 24CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 24 伺服系统在实际生产中的应用伺服系统在实际生产中的应用 在这些应用中，都是采用闭环伺服控制系统，下面以绕管机皮 带线伺服控制系统做例子介绍闭环伺服系统 PLC SLC500 1746-HSTP1 步进控制

13、模块 Panasonic 伺服驱动器 Panasonic伺 服马达 编码器 皮带位置光栅 脉冲脉冲 位置位置、速度反馈、速度反馈 皮带运行皮带运行位置位置反馈信号反馈信号 25CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 2.1 伺服电机概述伺服电机概述 定义定义 伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电 动机。 在自动控制系统中，伺服电动机是一个执 行元件，它的作用是把信号（控制电压或 相位）变换成机械位移，也就是把接收到 的电信号变为电机的一定转速或角位移。 25 26CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 2.2 伺服电机组成和分类伺服电机组

14、成和分类 26 组成组成 编码器编码器 编码器连接器编码器连接器 电机用连接器电机用连接器 电机外壳电机外壳 （定子）（定子） 法兰法兰 电机转轴电机转轴 （转子）（转子） 27CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 伺服电机分类伺服电机分类 直流直流伺服电动机 交流交流伺服电动机 27 在我们实际生产应用当中，使用的是交流伺服电机，其具有显著 特点： 1、起动转矩大 2、运行范围较广 3、无自转现象 28CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 2.3 交流伺服电机原理交流伺服电机原理 28 交流伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置 的

15、位置传感器构成。 定子和采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空空 间间彼此相差彼此相差120度。度。 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。 29CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 29 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器 控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子 在此磁场的作用下转动，同时电机自带 的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根 据反馈值与目标值进行比较，调整转子 转动的角度。 伺服电机的精度决定于编码器的精度（ 线数）。 30CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 30 其主要特点是： 当信号电压为零时无自转现象，转速 随着转

16、矩的增加而匀速下降。 31CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 2.4 松下伺服电机的应用和故 障分析 在使用松下伺服电机之前需要确认其型号型号 31 32CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 型号说明型号说明 32 33CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 33 34CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 34 伺服电机型号为MSME5AZS1S： 该电机低惯量，输出功率50W，额 定输入电压AC30V，绝对式编码 器，17位脉冲，7线制导线 带带17位编码器的电机而言，驱动

17、器每接收位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072个脉冲，电机转一圈，即其每个脉冲个脉冲，电机转一圈，即其每个脉冲 电机转动的角度为电机转动的角度为360/131072=0.0027 35CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 需要我们注意的是： 伺服电机实际使用当中，必须了解电 机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。 35 36CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 松下伺服电机常见故障分析松下伺服电机常见故障分析 问题问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？ 由于每台伺服电机都带

18、有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。 36 37CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题2：试机时一上电，电机就振动（加/减 速）并有很大的噪声。 这种现象可能是以下原因：1、由于伺服驱动器的增益 设置过高，产生了自激震荡。这时候需要重新设置伺服 驱动器伺服参数，适当降低系统增益；2、编码器出现 故障，更换编码器。3、速度命令出现重复的杂讯，信 号线受到干扰，将电源线和信号线分开，并将信号线屏 蔽好。4、电机轴承，在无负载的情况下运转电机，确 认电机轴承附近的震动和声音。

19、37 38CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题3：松下伺服电机在很低的速度运行过 程中，时快时慢，象爬行一样，怎么办? 伺服电机出现低速爬行现象一般是由于系统增益太低 引起的，适当调整系统增益，或运行驱动器自动增益 调整功能。 38 39CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题4：伺服电机没有旋转。 出现此类故障时，先确认伺服控制器是否通电是否有故 障显示；检查伺服电机接线是否完好；电机是否过负荷 或负载机构卡死；关闭伺服控制器电源将电机从设备卸 载下来，能否用手转动电机转轴。 39 40CONFIDENTIAL NO

20、T FOR DISTRIBUTION 问题问题5：伺服电机上电时，机械运动异常快 速(飞车)。 出现这种伺服整机系统故障，先确认伺服控制器是否出 现故障，伺服控制参数是否设置正确，而后检查：脉 冲编码器接线是否错误；脉冲编码器联轴节是否损坏 ；检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接 错。 40 41CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题6：伺服电机转动不稳定，伺服控制器 速度归零后电机仍缓慢转动。 出现这种情况，原因有以下： 1、伺服控制器控制模 式设置错误；2、伺服增益调整不良；3、电机接线、接 头、控制器接触不良；4、电机控制信号受干扰，将电 源

21、线和信号线分开，并将信号线屏蔽好。 41 42CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题7：偏离原点位置。 伺服电机偏离原点，造成这个情况原因：1、原点搜寻 速度过快，降低原点附近原点回归速度或者延长原点 感应器的感应区域；2、编码器线路出现重叠杂讯受干 扰，将电源线和信号线分开，并将信号线屏蔽好。 42 43CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 问题问题8：伺服电机过热（电机烧毁）。 原因：1、负载惯性（负荷）太大，增大电机和控制器 的容量；2、设备（机械）松动、脱落，重新确认设备 （机械）各部件；3、与驱动器接线错误，确认电机

22、和 控制器名牌，根据说明书检查是否接线错误。4、电机 轴承故障。5、电机故障（接地、缺相等） 43 44CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 3.1 伺服控制器概述伺服控制器概述 伺服驱动器（servo drives） 又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是 用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似 于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统 的一部分，主要应用于高精度的定位系统。 44 45CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 45 1、按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 2、伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零

23、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。 3、进行适合机械负荷的位置环路增益和速度环路增益调整。 伺服控制器的作用伺服控制器的作用 46CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 46 伺服控制器三种控制方式伺服控制器三种控制方式 1 1 转矩控制：转矩控制： 通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机 轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转 矩的场合。 电流环控制电流环控制 速度控制速度控制：通过模拟量的输入或脉冲的频

24、率对转动速度的控制。 速度环控制速度环控制 位置控制：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确定转动速度的大小，通过脉冲 的个数来确定转动的角度,所以一般应用于定位装置。 三环控制三环控制 47CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 3.2 伺服控制器原理 47 伺服控制器主电路伺服控制器主电路 48CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 48 a a 整流回路：整流回路： 将交流转变成直流，可分为单相和三相整流桥。 平滑电容：对整流电源进行平滑，减少其脉动成分。 c c 再生制动：再生制动： 所谓再

25、生制动就是指马达的实际转速高于指令速度时 产生能量回馈的现象。 再生制动回路就是用来消耗这些回馈能源的装置。 伺服控制器主电路伺服控制器主电路 49CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 49 d d 逆变回路：逆变回路： 生成适合马达转速的频率、适合负载转矩大小的电流， 从而驱动马达。 逆变模块采用IGBT开关元件。 e e 动态制动器：动态制动器： 具有在基极断路时，在伺服马达端子间加上适当的电阻 器进行短路消耗旋转能，使之迅速停转的功能。 50CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 3.3松下伺服控制器松下伺服控制器 50 51CO

26、NFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 型号说明型号说明 51 52CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 外形和接插件清单外形和接插件清单 52 控制器铭牌 ID：轴地址选择开关 IM：转矩监测端子 SP：速度监测端子 G：接地端子 X1：电源输入接口 X2：电机接口 X3：RS485通讯口 X4：RS232通讯口 接地端子 X5：I/O接口 X6：编码器接口 X6：外置光栅接口 53CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 53 控制器接线端子控制器接线端子 需要我们注意的是：需要我们注意的是：在使用单相电源输入

27、时，只接在使用单相电源输入时，只接 L1和和L3；接电机时，；接电机时，U、V、W相必须和电机相对应的颜相必须和电机相对应的颜 色线相接，一般为色线相接，一般为U红、红、V白、白、W黑。具体情况必须黑。具体情况必须 查看控制器和电机的使用说明书，这点非常重要！查看控制器和电机的使用说明书，这点非常重要！ 54CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 3.4伺服控制器常用设置应用伺服控制器常用设置应用 54 伺服前面板伺服前面板 55CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 55 当伺服接通电源时，其面板当伺服接通电源时，其面板LED显示如下：

28、显示如下： 56CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 前面板的使用方法前面板的使用方法 LEDLED的显示模式的切换的显示模式的切换 56 LED初始显示 设置设置 键键 监视器模式监视器模式 参数设定模式参数设定模式 模式键模式键 EEPROM写入模式写入模式 模式键模式键 辅助功能模式辅助功能模式 模式键模式键 模式键模式键 57CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 设置键设置键 监视器模式（选择显示）监视器模式（选择显示） 57 监视器模式选择设置：当进入监视器模式后，通过按 键选择所需要 的显示内容，再按设置键执行所选择的显示

29、。 例如: 显示(查看)故障信息 LED初始显示 设置设置 键键 监视器模式监视器模式 上下键上下键 警告编号警告编号 设置设置 键键 显示错误编码显示错误编码 注：具体详细的监视器选择内容以及报警编号需查阅伺服控制器注：具体详细的监视器选择内容以及报警编号需查阅伺服控制器 的使用说明书。的使用说明书。 58CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 设置设置 键键 参数设定模式参数设定模式 58 伺服参数设置：当进入参数设定模式后，通过按 键选择所需要更改 的参数项，再按设置键进入该 参数项通过 键更改参数，最后按设置 键完成参数设置。 例如：设定伺服控制器的控制模式

30、（Pr0.01） 设置键设置键 LED初始显示 设置设置 键键 监视器模式监视器模式 上下上下 键键 模式键模式键 参数设定模式参数设定模式控制模式（控制模式（Pr0.01） 参数选择参数选择 上下上下 键键 速度模式速度模式 取消更取消更 改返回改返回 持续按设置键，伺服持续按设置键，伺服 控制器参数被更新控制器参数被更新 59CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 59 注意：改变参数值，按设置键后 其内容会反映到控制中。变更对 电机影响较大的参数值（特别是速度环路增益、位置环路增益等参数） 时，请勿一次修改过大数值，尽可能地分数次更改输入。 另外： 当该数位显

31、示为“ ”时的参数设置更改后 需要写入EEPROM中，且机器重启后才能 生效。 60CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION EEPROMEEPROM写入模式写入模式 当我们设置的参数需要写入EEPROM中时候，操作如下： 60 设置键设置键 模式键模式键 EEPROM写入模式写入模式 持续按持续按 直直 到出现到出现 写入开始写入开始 写入结束写入结束 写入错误写入错误 当写入结束显示为 时，请关闭控制器电源进行复 位 61CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 辅助功能模式辅助功能模式 辅助功能模式包括以下内容：辅助功能模式包括以下内容： 61 A1零漂自动调整 A2零漂自动调整 A3零漂自动调整 报警解除电机试运行 绝对编码器清零 参数初始化 前面板解锁定 *具体的设置使用请查看伺服控制器使用说明书 62CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION 3.5伺服控制器常见故障分析和伺服控制器常见故障分析和 处理处理 伺服控制器具有各种保护功能。保护功能动作时，会停止伺服电机转伺服控制器具有各