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2021/6/271目录§1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置应用3.5松下伺服控制器故障分析和处理2021/6/2721.1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。2021/6/273伺服控制系统(servocontrolsystem)——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。2021/6/274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2021/6/2751.2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。2021/6/276伺服系统组成原理框2021/6/277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2021/6/278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。2021/6/279执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，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。2021/6/2710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。2021/6/2711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。2021/6/2712需要注意：

在实际的伺服控制系统中，上述每个环节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。2021/6/27131.3伺服系统分类伺服系统可分为三类开环伺服控制系统半闭环伺服控制系统闭环伺服控制系统2021/6/2714开环伺服控制系统(openloop)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。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。2021/6/2715位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器

步进马达开环伺服控制系统没有反馈、只能进行一个方向的控制。使用步进马达。

方向指令2021/6/2716位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器

步进马达１步进角脉冲马达指令脉冲１脉冲例步进角０.３６°的情况１脉冲→０.３６°的动作

１０００脉冲→３６０°（１圈）＝开环伺服控制回路2021/6/2717位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器

步进马达开环伺服控制回路位置速度＝＝脉冲数脉冲频率2021/6/2718位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器

步进马达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2021/6/2719半闭环伺服控制系统(Semi-closedloop)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。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。2021/6/2720全闭环伺服控制系统(Full-closedloop)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、磁栅和编码器等。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。2021/6/2721半闭环伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ装置）伺服驱动器伺服马达编码器闭环伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ装置）伺服驱动器伺服马达编码器丝性标尺2021/6/2722伺服系统在实际生产设备中的应用绕管机：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2021/6/2723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PLCSLC5001746-HSTP1步进控制模块Panasonic伺服驱动器Panasonic伺服马达编码器皮带位置光栅脉冲位置、速度反馈皮带运行位置反馈信号2021/6/27242.1伺服电机概述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。2021/6/27252.2伺服电机组成和分类组成编码器编码器连接器电机用连接器电机外壳（定子）法兰电机转轴（转子）2021/6/2726伺服电机分类直流伺服电动机交流伺服电动机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2021/6/27272.3交流伺服电机原理交流伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置的位置传感器构成。定子和采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。2021/6/2728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）。2021/6/2729其主要特点是：

当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

2021/6/27302.4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2021/6/2731型号说明2021/6/27322021/6/2733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17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，即其每个脉冲电机转动的角度为360°/131072=0.0027°2021/6/2734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。2021/6/2735松下伺服电机常见故障分析问题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。2021/6/2736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。2021/6/2737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。2021/6/2738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。2021/6/2739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：①脉冲编码器接线是否错误；②脉冲编码器联轴节是否损坏；③检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接错。2021/6/2740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，将电源线和信号线分开，并将信号线屏蔽好。2021/6/2741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。2021/6/2742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）2021/6/27433.1伺服控制器概述

伺服驱动器（servodrives）

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。2021/6/27441、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2021/6/2745伺服控制器三种控制方式1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。

——电流环控制速度控制：通过模拟量的输入或脉冲的频率对转动速度的控制。

——速度环控制位置控制：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2021/6/27463.2伺服控制器原理伺服控制器主电路2021/6/2747a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再生制动：

所谓再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2021/6/2748d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。2021/6/27493.3松下伺服控制器2021/6/2750型号说明2021/6/2751外形和接插件清单控制器铭牌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2021/6/2752控制器接线端子需要我们注意的是：在使用单相电源输入时，只接L1和L3；接电机时，U、V、W相必须和电机相对应的颜色线相接，一般为U—红、V—白、W—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！2021/6/27533.4伺服控制器常用设置应用伺服前面板2021/6/2754当伺服接通电源时，其面板LED显示如下：LED初始显示取决于参数Pr5.28的LED初始状态设定。2021/6/2755前面板的使用方法LED的显示模式的切换LED初始显示设置键监视器模式参数设定模式模式键EEPROM写入模式模式键辅助功能模式模式键模式键2021/6/2756设置键监视器模式（选择显示）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。例如:显示(查看)故障信息LED初始显示设置键监视器模式上下键警告编号设置键显示错误编码注：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的使用说明书。2021/6/2757设置键参数设定模式伺服参数设置：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（Pr0.01）设置键LED初始显示设置键监视器模式上下键模式键参数设定模式控制模式（Pr0.01）参数选择上下键速度模式取消更改返回持续按设置键，伺服控制器参数被更新2021/6/2758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。2021/6/2759EEPROM写入模式当我们设置的参数需要写入EEPROM中时候，操作如下：设置键模式键EEPROM写入模式持续按直到出现写入开始写入结束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2021/6/2760辅助功能模式辅助功能模式包括以下内容：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2021/6/2761