伺服電機控制與應用詳細教學.ppt

伺服電機控制技術 主講 劉遙生深圳職業(yè)技術學院電話 267316422伺服電機基本結構及原理 內(nèi)容 3旋轉磁場作用下的運行分析 4伺服電機的機械特性及控制方式 5交流伺服電機的應用 6伺服電機選擇及主要性能指標 由于我們是從事工廠自動控制方面的設備維修 維護管理技術人員 主要是合理地選擇和正確使用各種控制電機 因此本次講座著重闡述伺服電機的基本結構 工作原理 工作特性和使用方法 具體內(nèi)容如下 1概述 了解伺服電機基本結構 掌握其工作原理 運行特性及其特點 應用場合 以求正確選用和使用它們 目的 伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機 在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件 將電信號轉換為軸上的轉角或轉速 以帶動控制對象 1概述 1 交流伺服電動機 2 直流伺服電動機 伺服電動機分為 1 1什么叫伺服電機 1概述 在有控制信號輸入時 伺服電動機就轉動 沒有控制信號輸入 它就停止轉動 改變控制電壓的大小和相位 或極性 就可改變伺服電動機的轉速和轉向 1 2伺服電機最大特點 1概述 1 3伺服電機與普通電機相比具有如下特點 1 調(diào)速范圍寬廣 伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變 能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié) 2 轉子的慣性小 即能實現(xiàn)迅速啟動 停轉 3 控制功率小 過載能力強 可靠性好 1概述 1 4伺服電機在自控制系統(tǒng)中的典型應用 其它場合的應用 1 5伺服電動機典型生產(chǎn)廠家 1概述 德國西門子 產(chǎn)品外形有 伺服電機 伺服電機驅動器 1概述 美國科爾摩根 產(chǎn)品外形有 伺服電機 伺服電機驅動器 1 5伺服電動機典型生產(chǎn)廠家 1概述 日本松下及安川 產(chǎn)品外形有 松下交流伺服電機及驅動器 安川伺服電機驅動器 1 5伺服電動機典型生產(chǎn)廠家 2伺服電機基本結構及原理 交流伺服電機系統(tǒng) 驅動器 交流伺服電機器 2伺服電機基本結構及原理 2 1結構 交流電機 編碼器 交流電機電源線 編碼器信號輸出線 2伺服電機基本結構及原理 1 2 1結構 交流電機 減速齒輪 機械負載軸 2伺服電機基本結構及原理 2 1結構 由定子和轉子二大部分組成 1 定子由鐵心和線圈組成 勵磁繞組 控制繞組 勵磁電壓 控制電壓 1 2伺服電機基本結構及原理 1 2 1結構 由定子和轉子二大部分組成 1 定子由鐵心和線圈組成 控制繞組與勵磁繞組相差900 1 籠型轉子 鐵芯槽內(nèi)放銅條 端部用短路環(huán)形成一體 或鑄鋁形成轉子繞組 2伺服電機基本結構及原理 鑄鋁的籠型轉子 2 轉子 籠型轉子 2伺服電機基本結構及原理 杯型轉子 2 2轉動原理 2伺服電機基本結構及原理 2三相異步電動機的轉動原理 2 2轉動原理 2三相異步電動機的轉動原理 2 2轉動原理 當磁鐵旋轉時 在空間形成一個旋轉磁場 假設永久磁鐵是順時糾方向以n0的轉速旋轉 那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉子導條 在轉子導條中就產(chǎn)生感應電勢 根據(jù)右手定則 N極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來 而S極下導條的感應電勢方向垂直地進入紙面 由于鼠籠轉子的導條都是通過短路環(huán)連接起來的 因此在感應電勢的作用下 在轉子導條中就會有電流流過 電流有功分量的方向和感應電勢方向相同 再根據(jù)通電導體在磁場中受力原理 轉子載流導條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 這個電磁力F作用在轉子上 并對轉軸形成電磁轉矩 根據(jù)左手定則 轉矩方向與磁鐵轉動的方向是一致的 也是順時針方向 因此 鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順著磁鐵旋轉的方向轉動起來 3旋轉磁場作用下的運行分析 為了分析方便 先假定勵磁繞組有效匝數(shù)Uf與控制繞組有效匝數(shù)UC相等 這種在空間上互差900電角度 有效匝數(shù)又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組 3 1伺服電機旋轉磁場的產(chǎn)生 3旋轉磁場作用下的運行分析 同時 又假定通入勵磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等 這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流 用數(shù)學式表示為 3 1旋轉磁場的產(chǎn)生 控制繞組 勵磁繞組 當兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時 在電機內(nèi)就產(chǎn)生一個旋轉磁場 當電流變化一個周期時 旋轉磁場在空間轉了一圈 UC1 UC2 UF1 UF2 3 1旋轉磁場的產(chǎn)生 3 2伺服電機旋轉磁場的方向 控制繞組 勵磁繞組 控制繞組 勵磁繞組 3 2伺服電機旋轉磁場的方向 3 3伺服電機旋轉磁場的速度 旋轉磁場的轉速決定于定子繞組極對數(shù)和電源的頻率 圖所表示的是一臺兩極的電機 即極對數(shù)P 1 對兩極電機而言 電流每變化一個周期 磁場旋轉一圈 因而當電源頻率f 400Hs 即每秒變化400個周期時 磁場每秒應當轉400圈 故對兩極電機 即P 1而言 旋轉磁場轉速為n0 24000r min旋轉磁場轉速為的一般表達式為 4 伺服電機的機械特性及控制方式 4 1伺服電機的機械特性 對于伺服電動機 還有一條很重要的機械特性 這就是零信號時的機械特性 所謂零信號 就是控制電壓UC 0 這時磁場是脈振磁場 它可以分解為幅值相等 轉向相反的兩個圓形旋轉磁場 其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵N S和N S在空間以相反方向旋轉 4 2零信號時的機械特性和無 自轉 現(xiàn)象 4 2零信號時的機械特性和無 自轉 現(xiàn)象 當電阻已增大到使臨界轉差率 1的程度時 合成轉矩曲線與橫軸相交僅有一點 S 1處 而且在電機運行范圍內(nèi) 合成轉矩均為負值 即為制動轉矩 因而當控制電壓UC取消變?yōu)閱蜗噙\行時 電機就立刻產(chǎn)生制動轉矩 與負載阻轉矩一起促使電機迅速停轉 這樣就不會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象 4 2零信號時的機械特性和無 自轉 現(xiàn)象 4 3伺服電機控制方式及特性 設電機的負載阻轉矩為TL 控制電壓0 25UC時 電機在特性點A運行 轉速為na 這時電機產(chǎn)生的轉矩與負載阻轉矩相平衡 當控制電壓升高到0 5UC時 電機產(chǎn)生的轉矩就隨之增加C 由于電機的轉子及其負載存在著慣性 轉速不能瞬時改變 因此電機就要瞬時地在特性點C運行 這時電機產(chǎn)生的轉矩大于負載阻轉矩 電機就加速 一直增加到nb 電機就在B點運行 伺服電動機的機械特性 A B C 結論 改變控制電壓的大小 就實現(xiàn)了轉速的控制 5交流伺服電機的應用 編碼器部分 安裝在電機后端 其轉盤 光柵 與電機同軸 伺服電機控制精度取決于編碼器精度 5 1伺服電機編碼器 編碼器 5 2伺服電機驅動器 1 主要功能 1 根據(jù)給定信號輸出與此成正比的控制電壓UC 2 接收編碼器的速度和位置信號 3 I O信號接口 5 2伺服電機驅動器 數(shù)碼顯示窗口 參數(shù)設置鍵 計算機RS232口 I O信號接口 編碼器信號接口 電機電源輸入輸出接線端子 2 外部組成 5 2伺服電機驅動器 3 控制模式 1 位置控制模式 最大輸入脈沖頻率500KPPS 微分接收器 和200KPPS 用于開路收集器 2 速度控制模式 模擬速度指令輸入 0 10V 額定轉速 3 力矩控制模式 模擬力矩指令輸入 0 10V 最大力矩 5 2伺服電機驅動器 4 原理框圖 5 3交流伺服電機系統(tǒng)應用 圖2 2交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖 交流伺服電機驅動器 連接AC220V I O板 5 3 1交流伺服電機系統(tǒng)結構 5 3交流伺服電機系統(tǒng)應用 5 3 1交流伺服電機系統(tǒng)結構 1 設置參數(shù) 方法一聯(lián)接計算機使用軟件設置 方法二直接在驅動器面板按鈕設置 5 3 2交流伺服電機系統(tǒng)使用 方法一 使用計算機設置參數(shù) 1 啟動軟件 2 修改參數(shù)NO 19 000E 允許參數(shù)改寫 3 修改參數(shù)O 41 0001 內(nèi)部使能 4 正反轉試運行 1 設置參數(shù) 1 啟動軟件 2 進入TEST功能 使用JOG模式調(diào)試系統(tǒng) 3 正反轉試運行 2 使用計算機調(diào)試伺服電機系統(tǒng) 1 啟動軟件將參數(shù)NO 41 0000 改為外部使能 然后關閉軟件 2 接通電源 顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確 3 按MODE鍵 顯示rd of 3 使用驅動器操作面板手動調(diào)試伺服電機系統(tǒng) 4 按UP鍵多次直至顯示TEST1 5 按住SET直至顯示窗顯示D 01并閃爍 6 按UP正轉 按DOWN反轉 1 接通電源 顯示窗口顯示數(shù)字為設備連接正確 如 設置參數(shù)NO19 3 按DOWN或UP鍵多次 直至顯示P19 4 按SET鍵 顯示窗顯示0000 5 按SET鍵 顯示窗0000閃爍 2 按MODE鍵多次 直至顯示數(shù)P00 6 按DOWN或UP鍵多次 直至顯示000E 7 按SET鍵 再次通電 設置生效 3 使用驅動器操作面板手動設置參數(shù)的方法 1 6 1功率的選擇 功率選得過大不經(jīng)濟 功率選得過小電動機容易因過載而損壞 1 對于連續(xù)運行的伺服電動機 所選功率應等于或略大于生產(chǎn)機械的功率 2 對于短時工作的伺服電動機 允許在運行中有短暫的過載 故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械的功率 6 伺服電機的選擇 6 1種類和型式的選擇 1 種類的選擇 一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機 調(diào)速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機 如直線電機等 2 結構型式的選擇 根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結構型式 如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機 如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機 6 2主要性能指標的選擇 1 空載始動電壓UCO在額定勵磁電壓和空載的情況下 使轉子在任意位置開始連續(xù)轉動所需的最小控制電壓定義為空載始動電壓 用通過以額定控制電壓的百分比來表示 UCO越小 表示伺服電動機的靈敏度越高 一般UCO要求不大于額定控制電壓的3 4 使用于精密儀器儀表中的兩相伺服電動機 有時要求不大于額定控制電壓的1 6 2主要性能指標的選擇 2 機械特性非線性度Km在額定勵磁電壓下 任意控制電壓時的實際機械待性與線性機械特性在轉矩T Td 2時的轉速偏差 n與空載轉速n0 對稱狀態(tài)時 之比的百分數(shù) 定義為機械待性非線性度 一般要求Km 10 20 6 2主要性能指標的選擇 3 調(diào)節(jié)特性非線性度Kv在額定勵隘電壓和空載情況下 當控制電壓 0 7時 實際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉速偏差 n與控制電壓 1時的空載轉速n0之比的百分數(shù)定義為調(diào)節(jié)特性非線性度 即 一般要求Kv 20 25 6 2主要性能指標的選擇 4 堵轉特性非線性度kd在額定勵磁電壓下 實際堵轉特性與線性堵轉持性的最大轉矩偏差 Tdn max與控制電壓 1時的堵轉轉矩Tdo之比值的百分數(shù) 定義為堵轉待性非線性 即 以上這幾種持性的非線性度越小 特性曲線越接近直線 系統(tǒng)的動態(tài)誤差就越小 工作就越準確 一般要求Kd 5 6 3主要技術指標的選擇 1 電壓技術數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值 勵磁電壓允許變動范圍為土5 左右 電壓太高 電機會發(fā)熱 電壓太低和輸出功率會明顯下降 加速時間增長等 伺服電動機使用時 應注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓 而且隨轉速升高而增大 其值如果超過額定值太多 會使電機過熱 控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓 在幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉磁場 6 3主要技術指標的選擇 2 頻率目前控制電機常用的頻率分低頻和中頻兩大類 低頻為50HZ 或60HZ 中頻為400HZ 或500HZ 因為頻率越高 渦流損耗越大 所以中頻電機的鐵心用較薄的 0 2mm以下 硅鋼片疊成 以減少渦流損耗 低頻電機則用0 35 0 5mm的硅鋼片 低頻電機不應該用中頻電源 中頻電機也不應該用低頻電源 否則電機性能會變差 在不得已時 低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用 但要隨頻率正比地改變電壓 而保持電流仍為額定值 這樣 電機發(fā)熱可以基本上不變 例如一臺500Hz 110V的電機 如果用在400Hz時 那末加到電機上的電壓就應改成110 400 500 88V 6 3主要技術指標的選擇 3 堵轉轉矩 堵轉電流定子兩相繞組加上額定電壓 轉速等于0時的輸出轉矩 稱為堵轉轉矩 這時流經(jīng)勵磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉勵磁電流和堵轉控制電流 堵轉電流通常是電流的最大值 可作為設計電源和放大器的依據(jù) 6 3主要技術指標的選擇 4 空載轉速定干兩相繞組加上額定電壓 電機不帶任何負載時的轉速稱為空載轉速n0 空載轉速與電機的極數(shù)有關 由于電機本身阻轉矩的影響 空載轉速略低于同步速 6 3主要技術指標的選擇 5 額定輸出功率當電機處于對稱狀態(tài)時 輸出功率P2隨轉速n變化的情況如圖78所示 當轉速接近空載轉速n0的一半時 輸出功率最大 通常就把這點規(guī)定為交流伺服電動機的額定狀態(tài) 對應這個狀態(tài)下的轉矩和轉速稱為額定轉矩Tn 和額定轉速nn n0 n T 0 nn T 最大功率 額定轉矩TN 額定轉矩TN 小結1 交流伺服電動機主要用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件 在介紹工作原理時 引出了圓形旋轉磁場的概念 旋轉磁場的轉速稱為同步速 它由電機的極數(shù)和電源