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1、介绍,伺服驱动器原理,埃斯顿伺服系列驱动、控制环节、驱动内部电路功能、典型控制方式介绍等,讨论一下伺服与步进、伺服与变频之间差异,培训纲要,4,伺服系统概述,1,2,3,5,埃斯顿驱动器简介,伺服扭矩、速度、位置控制方式,电流环、速度环、位置环等环节,主回路、动态制动、再生等,6,选型讨论,概述,伺服(Servo)源自于拉丁语的Servus(英语为Slave:奴隶)奴隶的功用是忠实地遵从主人的命令从事体力工作,也就是“依指令准确执行动作的驱动装置；能够高精度的灵敏动作表现，自我动作状态常时确认”而具有这种功能装置就称为,伺服系统,伺服是一个闭环系统，它是由电流环、速度环、位置环组成，位置环的输
2、出作为速度环的给定速度环的输出又是电流环的给定。,它本质上是一个跟随系统：,概述,驱动器和电机,EDB,PC,1PG,总线,EDC,人机界面,HMI,运动控制器,PLC,PLC,控制(I/O),定位模块,伺服系统应用框图,开环控制（OPEN LOOP）由控制器输出指令信号，用来驱动电机按指令值位移并且停在所指定的位置。,开环控制,半闭环控制（SEMI-CLOSE LOOP）将位置或速度传感器，安装于电机轴上以取得位置反馈信号及速度反馈信号。,半闭环控制,全闭环控制（FULL-CLOSE LOOP）利用光栅尺等位置传感器，直接将物体的位移量同步返回到控制系统。,控制装置,驱动器,传动机构,电机,
3、位置传感器（光栅尺）,反馈信号,全闭环控制,车床开、闭环控制,按有无检测装置，数控系统可以分为开环与闭环数控系统，而按检测装置的安装位置又可以分为闭环与半闭环数控系统。下面对几种数控系统分别进行分析与研究：,1 开环数控系统开环数控系统结构简单，没有检测和反馈装置，数控装置发出的指令信号是单向的，所以不存在系统稳定性问题。因为无位置反馈装置，所以精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环数控系统具有工作稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，价格低廉等优点，在精度和速度要求不高，驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但是长期运行或启动及结束时易产生丢步和超步的现象，很难提高加工精度。在我国，经济型数
4、控机床一般都采用开环数控系统。,2 半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，通过采样旋转角度而不是采样运动部件的实际位置进行检测。因此，由丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的误差难以消除。半闭环数控系统闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可以获得稳定的控制性能，而机械传动环节带来的误差可用误差补偿的方法消除，因此仍可以获得比较满意的精度。这种系统结构简单，测试方便，精度也较高，因而在现代数控机床中得到了广泛的应用。 3 闭环数控系统由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统环内，因而其大部分传动间隙，弹性变形，滚
5、珠丝杠螺母的误差及滞后都对机床精度产生影响。为了解决这些问题，闭环数控系统应运而生。闭环数控系统的位置采样点如图1所示，是从机床运动部件上直接引出，通过采样运动部件的实际位置进行检测，可以消除整个放大和传动环节的误差、间隙和失动，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环数控系统的设计、安装和调试都相当困难。闭环数控系统主要应用于精度要求很高的精镗床、超精车床、超精磨床等。,车床开、闭环控制,4、双闭环数控系统双闭环数控系统是半闭环和闭环控制相结合的产物，不仅具有高精度的位置控制功能，而且还具有极高的稳定性
6、和易调试性，其系统组成如图2所示。该系统的特点是，整个系统由内外两个位置环组成，其中内部闭环为转角位置闭环，其检测元件为装于电机轴上的光电编码盘，驱动装置为交流伺服系统，由此构成一以电机转角o为输出，指令转角i为输入的角度随动系统。外部位置闭环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获得机床工作台的位移信息，并以内环的转角随动系统为驱动装置驱动工作台运动。该数控系统即有较好的稳定性，又可达到很高的控制精度，具有广泛的适用范围。,车床开、闭环控制,功率(Kw),控制模式,根据不同的控制系统之需求，在驱动器中有三种控制模式可供选择。,控制模式设定,依照不同的控制器来设定控制方式,控制模式,扭矩指令
7、输入范围,0 10V【正电压CCW扭矩】0 额定扭矩,扭矩控制,依据输入电压的大小、达到控制电机输出扭矩的目的。,控制模式,速度控制,速度指令输入范围,0 10V【正电压CCW回转】0 额定转速,依据输入电压的大小、达到控制电机输出转速的目的。,控制模式,依据输入的脉冲数目、达到控制电机定位的目的。,控制模式,控制模式,控制模式,控制模式,伺服控制环节框图,电流环,伺服电机在驱动时由于负载的关系而产生扭矩的缘故，使得流进电机的电流增大，一旦流进电机的电流过大时会造成电机烧毁的情形。为防止此一情形发生，在电机的输出位置加入电流感测装置，当电机电流超过一定电流时，切断伺服驱动器以保护电机。,电流环
8、,电流传感器电流传感器CT1和CT2在电流环中的作用就是感应通过电机的电流，并且将它转换为一个模拟电压信号。然后这个模拟电压信号经过PWM转换电路到ASIC。在这里只需要2个电流传感器，因为CPU能够根据公式Iu+Iv+Iw=0计算出W相的电流。,电流环,功率晶体管在电流环中包括6个功率晶体管。伺服驱动器中使用的是IPM智能功率模块，内置有6个IGBT及其驱动电路，另外，还包括过流检测、过热检测。,电流环,CPUCPU比较电流指令和电流反馈，作为结果的波形送入放大器，再经过PWM后将信号送到功率晶体管。,电流环,PWMPWM（脉宽调制）是一种将模拟信号转换为数字信号的方法。在模拟信号上加上一个
9、载波频率，其大小依赖于功率模块的开关次数。每当模拟信号与载频波形交叉时，PWM输出就发生一次转换，一系列的转换就形成了方波信号，其表现为模拟信号的平均值，相当于该信号的数字形态。,电流环,功能图,速度环,此环节是用来检测电机的旋转速度是否依照指令旋转，相对于控制装置所提供之指令，速度环控制电机的旋转速度。,速度环,P/PI控制,速度环,功能图,位置环,此环节是用来检测由控制器所输出位置控制指令之后，伺服电机是否移动至指令位置。相对于位置指令值，当检测值过大或过小时，控制伺服电机移动其误差值的部份，达到定位之目的。,位置环,脉冲指令 我们通过Pn004.2选择脉冲指令形态。,位置环,平滑功能平滑
10、功能是对脉冲指令进行加速度/减速度处理，在以下几种情况下使用：1）上位机无加速度/减速度功能2）脉冲指令频率太低3）电子齿轮比太高（超过10/1）,位置环,前馈功能前馈功能缩短定位时间。前馈将使实际运动轮廓逼近指令运动轮廓。通常前馈增益 Pn112用来设置前馈数值，设的越高响应越快，位置偏差越小。该值设置太高易引起过冲和振荡。Pn113前馈滤波：平缓位置前馈引起的机械冲击，可以减小振动，设置太高会使前馈量滞后较多。,位置环,主电容充电在主电容充电中，我们看到一个继电器，RLY1。使用这个继电器是出于安全的目的。它保护这个电路并且限制上电时主电容C1的充电电流。,主回路,P-N电压在DB1上的P
11、-N电压是供电电压的有效值，即右图中P点的电压读数是310V。V(RMS) = 220V * 1.41 = 310V,主回路,动态制动的方法通过动态制动使电机突然停止的方法有两种：1）通过短接电机U、V、W相的绕组；2）将转子能量消耗到电阻上。,动态制动,动态制动是如何发生的？第一种情况：双继电器版本的伺服驱动器的动态制动电路使用一个继电器造成电机绕组短路，从而使电机紧急停机。当用在大功率伺服上时这种方法不是很安全。,动态制动,动态制动是如何发生的？第二种情况：1.5kW以下的伺服驱动器的动态制动电路虽然是通过一个继电器动作的，但实际上是用一个动态制动电阻消耗电机转子能量。这种方法使电机有一个
12、较长的减速时间和平滑的停机。,动态制动,动态制动是如何发生的？第三种情况：2kW以上的伺服驱动器的动态制动电路通过一个可控硅代替继电器动作，这是与1.5kW以下的伺服驱动器唯一不同的地方。电机转子能量也是消耗在动态制动电阻上。这种方法也使电机平滑的减速。,动态制动,动态制动何时发生？Servo Off：动态制动打开以保证安全。Servo On：动态制动关闭。伺服驱动器进入Servo Off状态，当：1）S-ON输入信号关闭；2）超程；3）伺服报警发生；4）主电源关闭。当以上事件发生时，我们能够通过设定参数Pn004指定电机如何停机。,动态制动,使用可控硅的动态制动2.0kW以上的伺服驱动器都使
13、用了可控硅触发动态制动，以此替代继电器。但是需要注意的是，如果控制电源关闭，使用可控硅的伺服驱动器的动态制动功能也将关闭。而使用继电器的伺服驱动器，掉电或报警时保持动态制动状态。,动态制动,动态制动电阻 为了使动态制动电路工作，必须有一些消除电机转子能量的途径，这就是动态制动电阻的作用。 这个电阻消耗了电机的能量，从而使电机快速停止成为可能。然而，有些伺服驱动器（如双继电器版本）内并没有动态制动电阻，那是因为电机绕组的阻抗已经足够用于制动了。,动态制动,再生是在电机减速过程中的一种动作，此时电机等效为一个发电机。再生吸收了旋转负载的动能，并将它转化为电能，回馈到驱动器。,再生,再生两个主要功能
14、：1）消耗运动负载的惯性能量；2）快速地对主电容放电当伺服系统运行在额定转速并且带着允许的最大负载惯量，伺服驱动器必须吸收停止负载时产生的全部能量而不损坏系统。如果系统运行在超过额定转速或者带着超过允许的最大负载惯量，那么必须有外部再生。 再生值依赖三个因素：转矩、减速度和运动周期。这个值通常在选型软件中计算并且显示为电阻功率。然而，如果需要也可以手工计算。当再生电路中需要更大的元器件时必须有外部再生。有时，在一些特殊应用中C1或R1的功率不够大，在这种情况下，就需要一个外部的电阻或电容作为内部元器件的补充。,再生,再生能量的泄放小功率伺服驱动器(200W、400W)，可使用内置电容或外接电阻
15、吸收。中功率伺服驱动器（750W到5000W），可使用内置电阻或外接电阻吸收。大功率伺服驱动器（7.5KW到22KW），直接接外接电阻吸收。,再生,在下面的例子中，假定有200V的电源连接到伺服驱动器，并参考简单的再生电路示意图。一个正常的P-N母线电压是283V（200*1.41），当电机开始减速时，回馈到驱动器的能量开始提升P-N电压，一些或全部的能量被用于给电容C1充电。然而，如果母线电压超过380VDC，再生晶体管（TR1）就会打开，能量就会消耗到电阻R1上，晶体管实际在380VDC到370VDC循环开关。带负载的减速将需要几个这样的循环周期。当有再生不足时，可能会发生过压报警（A13
16、），表示母线电压超过420VDC，或者发生再生异常报警（A16），表示TR1打开时间太长（一个内部寄存器专用于记录TR1的开/关时间）。,再生,时序 如果发生了A13和A16报警，我们需要改变再生电阻R1的阻值。我们需要消耗更多的流过电阻的电流量，因为V=I*R，我们能够通过使用更小的阻值来增大流过电阻R1的电流量。增大电阻功率并不是正确的解决问题的方法，因为流过电阻R1的电流量还是一样的。当改变了电阻之后，我们需要检查再生电路是否满足更小阻值的要求。一旦减小了R1的阻值，就增大了流过它的电流，如果电流增加的太多，有可能超过电阻的额定功率，仅仅此时需要增大电阻的功率。,再生,再生的计算电机产生
17、的能量：En=0.5JM(2N/60)2电容消耗的能量：Ec=0.5C（Vk2-Vr2） 电机绕组消耗的能量：Em= 3JMN(2Ir/60Tr)2*(Ra/td)负载消耗的能量：EL=0.5TL(2Ntd/60)因为所有的能量之和必须为0，所以我们能够计算出电阻必须消耗的能量为Er=En-Ec-Em-EL因此我们可以计算出再生电阻的功率为Wr=Er/Cycle,再生,再生的计算如果再生电阻的功率超过内部电阻的额定功率，我们必须外加一个电阻以弥补这些差额。正如我们在公式中看到的，电机在停止负载时产生的能量，负载、电容C1、电机绕组、电阻R1都参与了能量的消耗。注意伺服驱动器不能应用于连续再生模
18、式，避免使用在电机输出力矩方向与实际运转方向相反的场合。,再生,控制精度不同 步进电机步距角为3.6、 1.8、0.72 、0.36 伺服电机2500线编码器脉冲当量为 360/10000=0.036 低频特性不同 步进电机的低频振动对于机器的正常运转非常不 利。 矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600rpm。 交流伺服电机在额定转速（一般为2000或3000rpm）恒力矩输出，在额定转速以上为恒功率输出。,伺服与步进差异,过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力,选型不经济。交流伺服电机具有较强的过载能力。ESTUN伺
19、服最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。,伺服与步进差异,控制精度不同 伺服是闭环控制系统，变频器一般通常用于开环控制，所以从速度或精度上，变频器都无法和伺服比拟。控制方式多样性 伺服可以具备多种控制方式，如恒功率、恒转矩、恒转速、位置控制等，而变频器则仅仅是恒功率的转速控制器。,伺服与变频器差异,适用功率范围不同变频器通常功率可做到15000kw甚至更高，而伺服系统一般做不到这么大，他更适合于中小功率，精密的速度、位移、转矩控制应用场合。机械机构的变化相对传统的机构，用伺服可能会大大简化机械设计的复杂度，简化传动机构，提高自动化水平，提高生产效率。,伺服与变频器差异,埃斯顿 与您共成长！,客服中心,
