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1、专题 伺服驱动,2,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1 西门子伺服概述2伺服和步进电动机的脉冲控制,本章讲述的主要内容:,3,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,伺服电动机伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。伺服电机的最大特点是可控，在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到，在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。伺服电机一般分为直流伺服电机和交流伺服电机。,
2、1.1 伺服电机的介绍,4,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,对于直流伺服马达，优点是:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势。缺点是:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(对于无尘室)。对于交流伺服马达，优点是:良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；高效率，90%以上，不发热；高速控制；高精确位置控制（取决于何种编码器）；额定运行区域内，实现恒力矩、低噪音、没有电刷的磨损，免维护，不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境，惯量比较低。缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,
3、需要更多的连线。,1.1 伺服电机的介绍,5,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,西门子伺服电机常用的有以下几大类：1.1FK7 电机1FK7电机是高度紧凑型的永磁同步电机。根据不同的应用，可以选择相应的编码器。作为选件的集成齿轮箱和较宽的产品范围使得1FK7 电机可以方便的应用到各种场合。他们可以满足用户对机器精益求精的要求。1FK7 电机与SINAMICS S120 高性能驱动系统的有机结合，可以完成速度和位置的精确控制。1FK7 电机只有自然风冷，没有外部冷却系统，热量通过电机表面散发。1FK7 电机有很强的过载能力。,1.1 伺服电机的介绍,6,
4、10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.1FT6 电机1FT6 电机为结构极为紧凑的永磁同步电机，安装有内置式编码器的1FT6 电机可以在西门子系列驱动系统上工作。西门子全数字驱动控制系统和1FT6 电机全新的编码器技术满足了在动态性能、调速范围以及速度和位置精度等方面的最高要求。1FT6 有自然风冷、强制风冷、水冷三种冷却形式。自然风冷是过电机表面散发热量，强制风冷通过外装风扇散发热量，而水冷能提高电机的保护等级和功率。,1.1 伺服电机的介绍,7,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,3.扭矩电机扭矩电机，类似于
5、线性电机，是一种基于同步驱动技术的直接驱动器。扭矩电机已进行了优化，可在低转速时产生较高的扭矩。1FW6电机是模块化电机，它主要用于机床的旋转工作台或者摆角轴。使用1FW3电机，您就拥有了一台可直接安装的扭矩电机。由于紧凑的设计，这些电机意味着理想的机械结构方案，例如喷射铸模和专用机床。这两种电机都采用水冷却，并有多种尺寸和长度。,1.1 伺服电机的介绍,8,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,4.1PH7 交流电机1PH7 交流电机是紧凑、强制风冷型鼠笼异步电机，保护等级为IP55。电机是通过一个独立安装的风扇单元散热。电机订货时可以选择吹风从电机驱动
6、端(DE)到电机非驱动端(NDE)或者相反。这些电机为连接变频器采用了特殊的设计。根据控制要求，可以选择合适的编码器。这些编码器用于检测电机的速度和位置。,1.1 伺服电机的介绍,9,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,PID控制器,1.1 伺服电机的介绍,10,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,一般伺服电机选择考虑的问题（1）电机的最高转速电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。（2）惯量匹配问题及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求
7、,负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内.,1.1 伺服电机的介绍,11,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,（3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80%以内。（4）切削负载转矩在正常工作状态下，切削负载转矩不超过电机额定转矩的80%。（5）连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定过载时间之内。,1.1 伺服电机的介绍,12,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2.1 SINAMICS V60/V80SINAMICS V60和V80
8、伺服驱动器是为经济型车床及铣床提供的一种驱动产品。该伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。由脉冲数量控制位置，由脉冲频率控制速度。SINAMICS V80功率有0.1、0.2、0.4、0.75KW四档，进线电压单相220VAC。SINAMICS V60功率有0.8、1.2、1.4、2.0KW四档，进线电压三相220VAC。,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,13,10/6/202210/6/202210/20/
9、20229/21/2023,一套V60或V80系统包括：(1)驱动器*V80，3倍过载能力，IP10*V60，2倍过载能力，IP20(2)伺服电机1FL4 for V80，3000rpm，2500线TTL Incremental Encoder，IP55 1FL5 for V60，2000rpm，2500线TTL Incremental Encoder，IP64*分带不带抱闸，24VDC,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,14,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,(3)电机电缆UVW V80的，由代理商提供插头，客户自己做，
10、长度最长20米，内含抱闸24V电缆，由外部独立24V电源供电 V60的，固定5米或10米，抱闸电缆独立，5米或10米，伺服驱动器上有24V电源端子，但还是需要外部24V(4)编码器电缆*内含A，A-，B，B-，U，V，W，*由于含用UVW相位信号，不需要另对伺服电机磁极位置进行识别V80由代理商提供插头，客户自己做，长度最长20米,V60的固定5米或10米。,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,15,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,（5）通讯电缆*与PLC脉冲信号进行通讯的电缆，内含控制和状态的DIO信号*V80的，由代理
11、商提供插头，客户自己做，长度最长3米。西门子定制的电缆为3米。*V60的，固定3米,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,16,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,图1 伺服驱动器及伺服电机,17,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,硬件系统的连接以SINAMICS V80系统为例说明。SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS
12、V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,18,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,图2 伺服驱动器连线,19,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,驱动器上有一个脉冲设置旋转开关用来设计脉冲分辨率以及指令脉冲类型的。本设计选择3，对应的分辨率是10000。驱动器的四个连接器X1、X2、
13、X10和X20相应的功能如图3所示：,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,20,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,21,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,22,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,23,10/6/202210/6/202210/20/202
14、29/21/2023,伺服电机控制系统的硬件组成如图 4 所示。S7-200根据要求发出高速脉冲和电机转动的方向信号，经过驱动器控制伺服电机旋转；电机旋转编码器的输出信号通过驱动器形成A 相和B 相正交信号，经信号转换以后作为S7-200 高速计数器的信号源，形成以S7-200 为处理器的闭环控制系统。伺服电机、伺服驱动器和S7-200PLC 之间采用屏蔽电缆连接。,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,24,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,图4 PLC与伺服驱
15、动器的接线,25,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2.3 程序编写在伺服电机运行设计时，考虑到伺服电机的平稳启停，设计了三段式脉冲方式，其示意图如5所示。脉冲是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是启动时速度从一个比较低的值上升到一个比较高的值，下降段是电机制动时速度从一个比较高的值一直减小到一个比较小的值，这样有利于保护电机。定义上升和下降段都是走一百个脉冲，则剩余需走的脉冲在恒速段高速走完。另外当需走的脉冲数少于两百个时，就以单段低速走，在每个脉冲子程序中都会先判断是以单段式走还是以三段式走。,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMI
16、CS V60/V80,26,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.2小型与经济型伺服控制系统SINAMICS V60/V80,图5 三段式脉冲示意图,27,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1 西门子伺服概述2伺服和步进电动机的脉冲控制,本章讲述的主要内容:,28,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,为了配合步进和伺服电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进和伺服电动机进行控制。本节将重点讲解西门子S7-200 PLC脉冲输出
17、功能和步进电动机的控制，伺服电动机的控制与步进电动机的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通过FM模块实现步进和伺服控制，思路与S7-200 PLC一致，本节不再介绍。,2.1概述,29,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.脉冲输出（PLS）指令脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表9-3所示。,2.2 PLC的脉冲输出,30,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.用于脉冲输出（Q0.0
18、或Q0.1）的特殊存储器每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）、一个时间周期和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表9-4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。,2.2 PLC的脉冲输出,31,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.2 PLC的脉冲输出,32,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,3.Q0.0和Q0.1的共用PTO/P
19、WM生成器和输出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在Q0.0或Q0.1位置没有使用PTO或PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。,2.2 PLC的脉冲输出,33,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,4.线性脉冲串输出（PTO）PTO可以实现占空比为1：2的高速脉冲串的输出，
20、脉冲数和周期可以由用户定义。状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时启动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时启动中断程序。5.脉宽可调脉冲（PWM）输出PWM是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。,2.2 PLC的脉冲输出,34,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,步进电动机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电动机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速恒速（高速）减速恒速（低速）停止。步进电动机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电动机的脉冲频
21、率也要经过一个类似变化过程。步进电动机脉冲频率变化规律如图9-5所示。,2.3 步进电动机的控制,35,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.3 步进电动机的控制,图9-5 步进电动机脉冲频率变化规律,36,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,1.通过指令向导组态PTOSTEP7-Micro/WIN提供了位置控制向导，可以帮助用户方便地完成PTO、PWM或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。本小节通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP7-Mic
22、ro/WIN位置控制向导来实现PTO控制步进电动机的具体操作过程。,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,37,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-6PTO的输出点,38,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-7 选择PTO,39,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-8 最高电动机速度和电动机的起动/停止速度的数值,40,10/6/2022
23、10/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-9 输入加速和减速时间,41,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-10 建新包络,42,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-11 选择包络的操作模式,43,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-12 包络0中的第一步（步0）,44,10/6
24、/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-13 包络0中的第二步（步1）,45,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-14 包络0中的第三步（步2）,46,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-15 配置分配存储区,47,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-16 PTO0_
25、CTRL和PTO0_RUN指令的应用,48,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.通过指令向导组态PWM在PTO的指令向导基础上，通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP 7-Micro/WIN位置控制向导来实现PWM控制步进电动机的具体操作过程。PWM的指令向导操作过程共有4个主要操作步骤。操作步骤：1）、2）两步同PTO向导。3）在位置控制向导对话框中选择“配置S7-200 PLC内置PTO/PWM操作”。从下拉列表中选择“脉冲宽度调制（PWM）”。选择时间基准为“毫秒”。单击“下一步”按钮，如图9-17所示。,2.4 通过指令向导组态
26、PTO/PWM,49,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,4）选择完成结束向导，生成子程序PWM0_RUN。PWMx_RUN指令允许用户通过改变脉冲宽度从0到一个周期的宽度来控制输出占空比。周期输入是一个为PWM输出定义周期的字值。允许的变化范围是265 535个在向导中指定的时基单元（微秒或毫秒）。占空比输入是一个为PWM输出定义脉宽的字值。允许的变化范围值是0.065 535个在向导中指定的时间基准单元（微秒或毫秒）。Error是一个由PWMx_RUN返回的字节值，指示执行的结 果。调用PWM0_RUN编程是非常方便的，如图9-18所示。,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,50,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-17 选择PWM,51,10/6/202210/6/202210/20/20229/21/2023,2.4 通过指令向导组态PTO/PWM,图9-18 调用PWM0_RUN,
