《伺服驱动器原理及选型.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服驱动器原理及选型.ppt（53页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,动作控制伺服驱动器基础课程,安川电机（上海）有限公司,2,.1 伺服的定义和外观结构.2 伺服驱动的构成.3 伺服的性能评价,3,1.1 伺服的定义和构成要素,伺服的定义,伺服的构成要素,伺服系统-是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。,4,1.1.1伺服的外观结构和铭牌,5,整流部,逆变部,电源部,控制部,电流演算部,商用电源,指令信号,电机,编码器,回転角度情報,反馈,6,速度控制部,编码器,位置反馈,电流反馈,电流控制部,位置控制部,位置速度变换,速度反馈,速度环,位置环,电流环,位置指令,电机,环路是由位置控制部、速度控制部、
2、电流控制部发出的指令控制部输出指令反馈所形成的闭合回路。电流回路在伺服器内闭合，位置回路、速度回路向伺服驱动外输出。,7,数字伺服的位置决定指令输入信号是脉冲列。位置决定量是脉冲数，位置决定速度是单位时间（秒）的脉冲量。（：）输入的脉冲量与反馈的脉冲数量相一致时，这才完成了位置决定这一构成。在位置控制部中，因为有输入脉冲的加算、反馈脉冲的减算，所以有一个计数器。（也称偏差计数器）,1.2.2 位置控制部的构成,8,1.2.3 速度控制部的构成,速度控制部的构成和积分器的运作,无积分器的话，必定有一个克服负荷摩擦的转矩，必然存在指令值与当前值的差，所以速度会达不到指令值。,多早去追上指令，这个时
3、间可通过伺服器内部的时参数来设定，这个值依存于机械的刚性。时参数请参照后页设定方法、刚性等后述,象这样比例控制（Proportional）和积分控制（Integral）的组合就称为PI控制。,像始动时那样,尽可能使应答迟缓减小的情况时,PI-I单纯作为比例增幅器运作。在正常运行时,由于外乱转矩等,PI-I作为积分器运作.可对速度偏差进行积分,实行修正控制.,9,1.2.4 比例動作（動作）,将增益调整到一个相当的量时，比例动作增强，应答速度变快。输入偏差为0时，有连续的运作。,T=0,T=0,10,1.2.5 積分動作（動作）,偏差变小、负荷动作越困难偏差微量存在，这个量就称为残留偏差（偏移）
4、。即使是小偏差,也可以积累成大的操作量。直到偏差成为0，负荷才可以运作。,T=0,T=0,11,-i（）,1.2.6 比例積分動作（動作）,：积分时间,=0,P动作与I动作并用。越短，动作表现越强。,T=0,12,有关电流控制的性能评价 电流环增益有关速度控制的性能评价 速度环增益 过渡应答的速度环增益 频率应答的环增益 速度环积分时参数有关位置控制的性能评价 位置环增益 位置决定整定时间 位置决定精度,评价伺服的应答性（指令输入后输出的情况（电机如何转动），使用回路增益这个用语。就是GAIN，获得和利益的意思。是输入和输出之比所解释的技术术语，现在直接使用增益来表示。,输入A,输出B,系统,
5、增益B/A,13,1.3.1 有关电流控制的性能评价,所谓电流控制的回路增益，就是由电流控制部输入电流指令，电流是怎样流动的应答性。但是，这个应答性是不依存机械而存在的，回路在伺服内部，并且，这个应答性可以充分地高，因此不能与机械相调整。,电流控制部,电流输出应答,与电机的应答相比显著地早,14,1.3.2 有关速度控制的性能评价,速度环增益和速度环积分时参数影响速度控制的性能。速度环增益中又包括过度应答的速度环增益和频率应答的速度环增益。,15,过度应答速度环增益 输入阶梯状的信号之后到输出指令值到达63.2%的这一段时间称为时参数，这个逆数称为速度环增益。,1.3.2-A）速度环增益,16
6、,A-2）所谓的频率应答特性速度环增益,电机回转速度,速度指令电压,电机回转速度,增益EEi,位相遅,增益是（）的频率称为这个频率的频率特性是,1.3.2-A）速度环增益,17,过度应答性的速度环增益和频率应答性的速度环增益 的关系,1.3.2-A）速度环增益,18,速度环积分时参数能对应机械刚性进行设定。速度环积分时参数缩短，指令也一致缩短时间，如果不缩短，机械会发生振动。有必要设定适合的机械刚性。,速度环增益和积分时参数之间有一定的关系.,即使设定了最适的速度环增益,积分时参数设定不良时,1.3.2B）速度环积分时参数,19,位置环增益 位置环增益就是进行位置决定的时候速度的应答性。在数字
7、伺服中，位置决定指令是以脉冲信号输入的。位置决定量就是脉冲量。位置决定速度就是单位时间（S）内通过的脉冲数（：）。输入的脉冲数和反馈的脉冲数一致时，才完成了位置决定过程。在位置控制部，输入脉冲的加算，反馈脉冲的减算，设置计数器（也称偏差计数器）。,1.3.3 位置环增益,20,速度指令大,回転。,位置决定动作的实例指令单位在的距离中 以进行位置决定。位置决定脉冲数：，位置决定速度：，,1.3.3 位置环增益（続）,21,用户参数,目标:在学习伺服系统在机械电机方面的安装时，首先要学习如何调节用户参数。它是位置控制与电气之间的一个界面，它包含了电机 与编码器的工作。其他的自动控制机器的连续性和互
8、 锁性。,2.1 用户参数的定义和安装2.2 用户参数实例,22,2.1 用户参数的定义和安装,用户参数有两个类型。选择型 由16个环节4行组成。根据各行的设定，选择机能。调整型 设定数值。用户参数可通过WIN+软件，数字操作器，面板操作器设定。,2-2,23,2.2 用户参数概要,选择型(Pn-000 003等)控制模式选择(位置,速度,转矩控制)机能使用、不使用设定报警时的伺服运作选择电机回转方向的设定I/O信号的开断（使用）不使用（常時ON、OFF）,调整型(Pn100等)各种增益 位置决定单位、速度、及转矩指令 信号点动速度有关转矩速度的参数连续参数,以下是SGDM(SGDH)伺服用的
9、二个类型的参数。,24,2.2.1 选择型用户参数的代表例,分 類,設 定 値,説 明,电机,电机回转方向设定,Pn000的0位 0以及,0:正转1:逆转,控制模式选择,Pn000的1位0B,0:速度控制 1:位置控制 2:转矩控制3:内部设定速度选择 等,伺服OFF时及报警发生时的停止法,Pn001的0位 01以及2,0:以动态制动（DB）停止 1:以DB停止、在这之后DB解除 2:自由运行状态停止,超程时停止选择,Pn001的1位0以及2,0:自由运行停止：减速停止后伺服振动2:减速停止后自由运行状态,AC/DC电源输入选择,Pn001的2位0以及,0:AC电源输入1:DC电源输入,警报代
10、码输出,Pn001的3位0以及,0:只在端子AOL1,AOL2,AOL3输出警告代码1:故障代码、警告代码两方面输出,25,分 類,参数,名 称,出厂设定,增益关系,Pn100,Pn101,Pn102,Pn103,Pn104,Pn105,Pn106,速度环增益,速度环积分时参数,位置环参数,惯性力矩比,第2速度环增益,第2速度环积分时参数,第2速度环增益,40,2000,40,0,40,2000,40,单位,HZ,0.01ms,s,HZ,0.01ms,2.2.2 用户参数（调整型）代表例,26,3.1 增益的特性确认3.2 在线自动运行3.3 手动运行,目标：伺服增益特性的增益。,27,3.1
11、 增益特性确认1,Kv=120,Kp=80,Kv=120,Kp=120,位置环增益的变更整定时间变化,COIN信号使用,28,3.1 增益特性确认 2,速度环积分时参数超程的影响,Kv=120Hz,Ti=8.0ms,Kv=120Hz,Ti=2.0ms,超程小、位置决定迟缓,超程大、位置决定快速,29,位置决定量：10转位置决定速度：3000 min-1,只上升Kp,应答变快,观察速度带来的振动。,Kv=40,Kp=100,JL/JM=460%,Kv=160,Kp=100,JL/JM=460%,Kv=40,Kp=40,JL/JM=460%,3.1 增益特性确认 3,和的平衡,30,1)在线自动运
12、行 在伺服的运行中测定负荷惯性的最大值,一定地保持以速度环增益 或位置环增益为目标的机能。)自动运行下的自动设定增益 速度环增益 Kv（Pn100）速度环积分时参数Ti（Pn101）位置环增益 Kp（Pn102）转矩指令滤波器时参数（Pn401）,31,在手动运行不能满足应答特性的情况、还可通过提前运行、分别地对增益一个一个地进行运行。,仅位置控制的时候,根据上位控制的指令输出，进行增益的调整。,来自上位控制的指令输出为0的时候，电机完全停止，调整偏置。,即使手动运行还不能满足应答特性的情况,提前运行机能可适用,进行调整。,积分时参数长，位置环增益小。为了得到最适应答性，调整速度环增益。,直到
13、无机械振动,将积分时参数进行缩短调整。,直到无机械振动,将位置环增益进行扩大调整。,32,根据不同的增益,学习如何改变应答特性。,Kv=40HZ Ti=20ms Tf=1ms,Kv=85HZ Ti=10ms Tf=0.5ms,Kv=160HZ Ti=6ms Tf=0.21ms,由始动开始到达指令值指时间为 8,同 5,同 3.7,33,电机的机种和容量的选定,4.1,选定公式的导入,4.2,为选定而讨论的项目,选定讲习,4.3,4.4,样本读取的方法,再生讨论,4.5,目标：,学习伺服电机(机种和容量)选型公式的要点。并且根据向本社用户提供的电机选型软件,进行选型讲习和再生讨论.,34,400
14、0,3000,1000,2000,2,4,6,8,0,转矩(Nm),速度(min-1),瞬时最大转矩（瞬时究竟是多少秒？参照下页的符负荷特性）,连续使用最大转矩,连续使用区域,反复使用区域,RMS转矩在连续使用范围内的话、在过负荷特性容许时也可以使用（关于实效值以后叙述）,安全使用区域RMS转矩必须在这个区域里,额定回转速度（以额定速度运行的电机回转速度）,SGMAH-08A,失速转矩,速度为0时的转矩,5000,4.1,样本的读取 1,A)转矩-回转速度特性,35,B)过负荷特性,通電時間,(s),1000,100,5,3,1,0.7,1,3,2,电机额定电流(%),样本的读取 2,热启动,
15、冷启动,热启动：电机在热饱和状态使用的情况,冷启动：电机在充分冷却时运作的情况,额定的多少倍（）的电流、经过几秒流过。,见右图、冷启动、2倍的额定电流在秒中流过读取情况还是相当良好。,4.1,36,4.1 伺服选型原则及步骤,一、伺服选型原则 力矩:负载力矩额定力矩;加速力矩最大力矩;转动惯量比:负载侧转动惯量与电机转子转动惯量比要在电机允许范围内转速:设计转速电机最大转速控制方法:模拟量控制、脉冲控制或通信控制安装尺寸:应考虑电机法兰面、轴径、整体尺寸制动器：电机是否需要带制动器(根据机械结构）使用环境：电机是否要加油封（是否有油水）再生能量：再生能力是否过大，需加外置再生电阻,37,4.2
16、 选型公式的导入1,得,根据和 的关系,（）,由,38,工作台：质量（）移动速度（）,电机,连轴器以及减速机（減速比）,N M（in-）,机械效率,推力：（）下注,摩擦系数,滚珠丝杠：长度（）导程（）直径（）密度（）,电机（回转速度：N（min-）输出的 倍就成为工作台运行的动力。这个时候电机转矩T,得,另,如果有,那么下式也成立。,注：所谓推力，就是金属加工时与切削力反作用的力，它是外力施与工作台的一个很重要的力。只是工作台移动的情况时F=0。,4.2 选型公式的导入2,（）,（）,由,39,电机（回转速度：N（min-）考虑到回转运动能可换算改变成直线运动能、电机轴换算工作台惯性力矩J（k
17、g）可由下式导出。,得,以及,4.2 选定公式导入3,（）,（）,由,40,（）滚轴丝杠的惯性力矩J与质量知晓的话，就导出下式。,（）质量不知晓的话，明白材质的密度就可导出下式。,体积,4.2 选型公式导入4,（）,（）,41,电机（回転速度：N（min-）的回转能量可以看作滚轴丝杠的回转能量、电机轴换算的滚轴丝杠的惯性力矩J3（kg）可由下式导出。,（）滚轴丝杠的电机轴换算惯性力矩,根据,电机轴换算全负荷惯性力矩,连轴器以及减速机的惯性力矩、,注：一般来说，由电机轴来看减速机的惯性力矩是减速机厂家定好的。不能给与连轴器的惯性力矩的，就用质量、直径以及材質密度 直径以及厚薄，利用公式算出滚轴丝
18、杠的惯性力矩。,4.2 選定公式導入5,得到,42,给与机械所要求的始动时间、制动时间，但究竟要给多少的始动转矩、制动转矩，由下式可以求得。,始動（Tp（N）,根据回转运动的基本公式 T=J、电机的惯性力矩JM、电机轴换算的 全负荷惯性力矩JL、所要始动转矩 T、电机轴换算负荷转矩TL（T TL）是对加速有益的转矩 下式成立。,得,4.2 选型公式的导入6,（）,由,43,制动时,负荷转矩有下式的关系成立。,制动转矩（T（N）,注：这个式子的成立条件,电机产生的转矩(电流)饱和并且电机回转速度接近额定速度。回转速度低的时候的始动时间随着应答性是由增益决定的.,得,4.2 选定公式导入7,（）,
19、由,44,4.3 为选定所讨论的项目,实效值,这个电流 称为 电流 i1(t1）i 2(t 2)i 3(t 3)的实效值。1,1,（t1+t2+t3+t4）,3,4,t,电阻R的电流器如下图与电流流过时的发热量相同,直流电I与发热量Q的关系:,Q（）,在伺服器的情况下,转矩与电流成正比关系,转矩的实效值与电流实效值计算方法相同,这个值在额定转矩以下的话,电机就会产生热量。,45,4.4 选定讲习,根据左图的机械例,想定具体的值,进行电机选定的讲习。,工作台质量 m：50（kg）工作台移动所要求的推力 F：2（）工作台台面的摩擦系数：0.2 机械效率：0.9 工作台移动速度：12（m/min）滚
20、轴丝杠导程 PB：6（mm）滚轴丝杠长度 LB：（m）滚轴丝杠直径 DB：25（mm）滚轴丝杠材质密度：7.87（）减速比/R：1/2（滚轴丝杠回转速度电机回转速度）连轴器以及 L：0.45（kgcm）减速机惯性力矩 1转所行走的距离 L：0（mm）转所需要的时间：1.0（）位置决定时间：0.3（）停止时间：0.7（）,46,(a)速度线图,4.4 选定讲习,机械性能如下图速度曲线所示。,(b)电机所要的回转速度NM（min-1）,电机的回转速度在4,000min-1、就应该选择最高回転速度在4,000min-1以上的机种。这里选择的是系列。或者使用超过额定速度、连续转矩比额定转矩小的电机。,
21、根据（）式,47,(c)正常运行转矩L（Nm）,利用工作台的电机轴换算负荷转矩L（）式求得。,即使是使用（）式,结果相同。,4.4 选型讲习,48,（d）电机轴换算全负荷惯性力矩JL（gm2）,（d）工作台的电机轴换算惯性力矩 JL1,工作台的电机轴换算惯性力矩L（）以及（）式求得。,（d）滚轴丝杠的电机轴换算惯性力矩 JL,（d）电机轴换算全负荷惯性例矩JL（gm2）,就此例,滚珠丝杠的电机轴换算惯性力矩L由（）、（）式求得。,由此值,为了使惯性力矩比不超过30倍,假设选定为200W。,4.4 选型讲习,49,（e）始动时间ta（）、制动时间td（）（由图 ta=td）,在0.3秒进行5mm
22、的位置决定,制动时间ta、正常运作时间tc,成立以下式。,由此二式求得ta、。,0.2 ta0.05,4.4 选型讲习,50,（）始动转矩TP（N）、制动转矩TS时间td（N）,始动转矩 T、制动转矩 T 由（）式（）式求得。,4.4 选型讲习,51,（）实效转矩 T（N）,由转矩线图求得实效转矩Trms,如下式。,这个值在选定电机的额定转矩 0.637(N）以下（负荷率59%）,因此可以使用。,4.4 选型讲习,52,4.5 再生讨论 1,如果可以选定电机、适用的伺服器也应该选定、再生处理能力有必要进行讨论。电机被负荷转动的情况时被称为负负荷或者垂直负荷。比如：如果如右图的计数砝码（或者平衡负荷），作上下运动的机械在下降时会成为垂直的负荷。,即使是水平运动的情况，制动时电机会变成转矩方向和回转方向相反的发电机，这种状态就成为再生模式。,53,4.5 回生検討 2,在伺服器中、之前所述的发电电力（再生能量）可由内置电阻器消耗、惯性力矩大的时候再生能量也大,内置电阻会有不足消费的情况。如此使用,就会成为烧坏内置电阻器的故障原因。因此再此有必要讨论再生能量是否能在内置电阻中消耗。,作为电机工作时 电流的方向,作为发电机工作时 电流的方向,
