伺服电动机 - 图文

伺服电动机认知

1．永磁交流伺服系统概述 现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电 动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。 (1)交流伺服电动机的工作原理 伺服电机内部的转子是永久磁铁，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，同时电动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。伺服电动机的精度决定于编码器的精度(线数)。

伺服驱动器控制交流永磁伺服电动机(PMSM)时，可分别工作在电流(转矩)、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如图7-17所示。系统基于测量电机的两相电流反馈(Ia、Ib)和电机位置。将测得的相电流(Ia、Ib)结合位置信息，经坐标变化(从a，b，c坐标系转换到转子d，q坐标系)，得到Ia、Ib分量，分别进入各自的电流调节器。电流调节器的输出经过反向坐标变化(从d，q坐标系转换到a，b，c坐标系)，得到三相电压指令。控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路PWM波输出到功率器件，控制电机运行。

伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

智能功率模块(IPM)的主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理图如图7-18所示。利用了脉宽调制技术(Pulse width Modulation，PWM)，通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时问比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的。

关于图7-17中的矢量控制原理，此处不予讨论。这里重点指出的是，伺服系统用做定 位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制 器输出端。同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。因此，位置 控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。

由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。 在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。这就是说，在稳态时，伺服电动机 以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。反之，在达到稳态前，系统将在偏差信 号作用下驱动电机加速或减速。若指令脉冲突然消失(如紧急停车时，PLC立即停止向伺 服驱动器发出驱动脉冲)，伺服电动机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲 数才停止。

(2)位置控制模式下电子齿轮的概念

位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图如图7-19所示。

图中，指令脉冲信号进入驱动器后，须通过电子齿轮变换后才与电机编码器反馈脉冲信 号进行偏差计算。电子齿轮实际是一个分一倍频器，合理搭配它的分一倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。

例如YL-335B所使用的松下MINAS A5系列AC伺服电机·驱动器，电机编码器反馈脉 冲为2500 pulse／rev，经4倍频后(即分辨率为10000 pulseh/rev)反馈到伺服驱动器。如果希望指令脉冲为6000 pulse／r\，那么就应把指令脉冲电子齿轮的分一倍频值设置为10000／6000，从而实现PLC每输出6000个脉冲，伺服电机旋转一周，驱动机械手恰好移动60mm的整数倍关系。具体设置方法将在下一节说明。

2．松下MINASA5系列AC伺服电机·驱动器

在YL一335B的输送单元中，采用了松下MINAS A5系列的MSME022(；1s永磁同步交流伺服电机，以及MAI)HT‘1507E全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。该伺服电机外观及各部分名称如图7-20所示，伺服驱动器的外观和面板则如图7-21所示。

MSMD022G1s的含义：MSMD表示电机类型为低惯量；02表示电机的额定功率为200W；2表示电压规格为200V；G表示编码器为增量式编码器，脉冲数为2500p／r-，分辨率10000，输出信号线数为5根线；1s表示标准设计，电机结构为有键槽、无保持制动器、无油封。 MADHTl507E的含义：MADH表示松下A5系列A型驱动器，T1表示最大瞬时输出电流为10A，5表示电源电压规格为单相／三相200V，07表示电流监测器额定电流为7．5A，E表 示A5E系列。

下面着重介绍该伺服驱动器的接线和参数设置。 (1)接线

MADH111507E伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中，

xA：电源输入接口，A(；220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端 子L1C、L2C上。

XB：电机接口和外置再生放电电阻器接口。u、V、W端子用于连接电机。必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子(u、V、w)不可以接地或短路，交 流伺服电机的旋转方向不象感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的 U、V、w、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器 的损坏。电机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到 同一个接地点上。机身也必须接地。RBl、RB2、RB3端子是外接放电电阻，MADHT。1507E 的规格为100 Q／10W，YL一335B没有使用外接放电电阻。

X6：连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接 到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳(FG)上。

x4：I／O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下MINAS A5使用手册》。YL一335B输送单元中，伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。所采用的是简化接线方式，如图7—22所示。 (2)伺服驱动器的参数设置与调整

松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置／速 度控制、位置／转矩、速度／转矩、全闭环控制。位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流一10V至一+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流一10V至一+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：①设置驱动器内的参数来限制，②输入模拟量电压 限速。

(3)参数设置方式操作说明

A5系列伺服驱动器的的参数分为7类，即：分类0(基本设定)；分类l(增益调整)； 分类2(振动抑制功能)；分类3(速度、转矩控制、全闭环控制)；分类4(I／F监视器设定)； 分类5(扩展设定)；分类6(特殊设定)。参数可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进 行设置，也可以在驱动器上的面板上进行设置。 在PC上安装驱动器参数设置软件Panate，·m后，通过与伺服驱动器建立起通信，就可 将伺服驱动器的参数状态读出来，然后进行修改或设置，再写入驱动器，使用十分方便，如图7-23所示。

当现场条件不允许，或修改少量参数时，也可通过驱动器上操作面板来完成。操作面板 如图7—24所示。各个按钮的说明如表7-4所示。

在面板上进行参数设置操作如下：

①步骤：上电后先按“SET'’键进入监视器模式，再按“MODE”键选择到参数设定模 式，选择显示为“Pr一000．”。此时按向上、下或向左的方向键选择所需设定的参数，按“SET'’ 键进入。然后按向上、下或向左的方向键调整参数，调整完后，按“SET'’键返回。选择其 它项再调整。

②参数保存。按“M()DE”键选择到EEPR()M写入模式，选择显示为“：EE—Set”。按“SET'’键确认，出现“EEP一”，然后按向上键5秒钟，出现“stArt”写入开始，再出现“FiniSh”和“rESEt”写入结束，然后重新上电即保存。 ③参数初始化。此操作属于辅助功能模式。须按“MOD E，’键选择到辅助功能模式，选 择显示为“AF—Acl”。然后按向上键或向下键选择辅助功能，当出现“AF—ini”时按“SE T’，