PLC课件：伺服电机控制技术

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它们。目的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转速，以带动控制对象。1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：1.1什么叫伺服电机1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概述1.3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，过载能力强，可靠性好。1.5伺服电动机典型生产厂家1概述德国西门子，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1概述美国科尔摩根，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1.5伺服电动机典型生产厂家1概述日本松下及安川，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1.5伺服电动机典型生产厂家2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伺服电机基本结构及原理2.1结构

由定子和转子二大部分组成

1、定子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)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)杯型转子纲薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm2伺服电机基本结构及原理杯型转子转子定子壳体3旋转磁场作用下的运行分析

为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。3.1伺服电机旋转磁场的产生电气原理图控制绕组励磁绕组3旋转磁场作用下的运行分析

同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为3.1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。UC1UC2UF1UF23.1旋转磁场的产生3.2伺服电机旋转磁场的方向控制绕组励磁绕组控制绕组励磁绕组3.2伺服电机旋转磁场的方向3.3伺服电机旋转磁场的速度

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P＝1。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f＝400Hs，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P＝1而言，旋转磁场转速为

n0=24000r／min旋转磁场转速为的一般表达式为4.伺服电机的机械特性及控制方式4.1伺服电机的机械特性4.3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：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制5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。5.1伺服电机编码器编码器5.2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5.2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5.2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：0～±10V/额定转速（3）力矩控制模式——模拟力矩指令输入：0～±10V/最大力矩5.2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门激励电源编码器电源4、原理框图5.3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AC220V

I/O板5.3.1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Pulse0/1P9-0/2CNSIG控制电压编码器反馈信号轴号0/1数据信号使能信号DO21/22速度信号DAC0/15.3交流伺服电机系统应用5.3.1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5.3.2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-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P194、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P006、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1.6.1

功率的选择

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。1.对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。6.伺服电机的选择6.1

种类和型式的选择1.种类的选择

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机,如直线电机等。2.结构型式的选择

根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机6.2

主要性能指标的选择

1．空载始动电压UCO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始动电压。用通过以额定控制电压的百分比来表示。UCO

越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大于额定控制电压的3%～4％，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的1％。6.2主要性能指标的选择

2．机械特性非线性度Km

在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩T＝Td／2时的转速偏差△n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械待性非线性度。一般要求Km≤10％～

20％6.2主要性能指标的选择

3．调节特性非线性度Kv

在额定励隘电压和空载情况下，当控制电压<0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差△n与控制电压＝1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即:一般要求Kv≤20％～

25％6.2主要性能指标的选择

4．堵转特性非线性度kd

在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差(△Tdn)max与控制电压＝1时的堵转转矩Tdo之比值的百分数，定义为堵转待性非线性，即

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。一般要求

Kd≤±5％

6.3

主要技术指标的选择

1．电压技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土5％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，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，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场6.3

主要技术指标的选择2．频率目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.35～0.5mm的硅钢片。低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，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500Hz、110V的电机，如果用在400Hz时，那末加到电机上的电压就应改成110×400／500＝88V。6.3

主要技术指标的选择

3．堵转转矩，堵转电流定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，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。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。6.3

主要技术指标的选择4．空载转速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n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。6.3

主要技术指标的选择5．额定输出功率当电机处于对称状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图78所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn。和额定转速nn。n0nT0nnT最大功率额定转矩TN额定转矩TN小结1交流伺服电动机主要用于自动控制系统中作为执行元件。在介绍工作原理时，引出了圆形旋转磁场的概念。旋转磁场的转速