伺服电机及其控制原理

1CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION伺服电机及其控制原理——TPM基础知识的培训素材2CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION目录§1伺服系统1.1伺服概述1.2伺服系统组成1.3伺服系统分类§2伺服电机2.1伺服电机概述2.2伺服电机组成和分类2.3交流伺服电机原理2.4松下伺服电机的应用和故障分析§3伺服控制器3.1伺服控制器概述3.2伺服控制器原理3.3松下伺服控制器介绍3.4松下伺服控制器常用设置应用3.5松下伺服控制器故障分析和处理23CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION1.1伺服概述伺服(Servo)，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度、加速度和力矩。34CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION伺服控制系统(servocontrolsystem)——是所有机电一体化设备的核心，它的基本设计要求是输出量能迅速而准确地响应输入指令的变化，如机械手控制系统的目标是使机械手能够按照指定的轨迹进行运动。象这种输出量以一定准确度随时跟踪输入量（指定目标）变化的控制系统称为伺服控制系统，因此，伺服系统也称为随动系统或自动跟踪系统。它是以机械量如位移、速度、加速度、力、力矩等作为被控量的一种自动控制系统。45CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION5输入量输出量控制操作输入量控制操作输出量测量反馈环6CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION1.2伺服系统组成从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。67CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION伺服系统组成原理框78CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现89CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION控制器控制器是伺服控制系统里面的调节元件，通常是计算机或PID（比例-积分-微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。910CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。1011CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION被控对象被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。被控对象一般包括传动系统、执行装置和负载。1112CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。1213CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION需要注意：在实际的伺服控制系统中，上述每个环节在硬件特征上并不成立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机既是执行元件又是检测元件。1314CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION1.3伺服系统分类伺服系统可分为三类开环伺服控制系统半闭环伺服控制系统闭环伺服控制系统1415CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION开环伺服控制系统(openloop)控制系统没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。常用的执行元件是步进电机，通常以步进电机作为执行元件的开环系统是步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。开环伺服系统结构简单，但精度不是很高。15开环伺服系统结构简图数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。16CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器步进马达开环伺服控制系统没有反馈、只能进行一个方向的控制。使用步进马达。方向指令17CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器步进马达１步进角脉冲马达指令脉冲１脉冲例步进角０.３６°的情况１脉冲→０.３６°的动作１０００脉冲→３６０°（１圈）＝开环伺服控制回路18CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器步进马达开环伺服控制回路位置速度＝＝脉冲数脉冲频率19CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION位置控制控制器（ＮＣ装置）步进驱动器步进马达开环伺服控制回路注意点有失步的可能性急速负荷变动急速速度变动原因20CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION半闭环伺服控制系统(Semi-closedloop)通常把检测元件安装在电机轴端而组成的伺服系统称为半闭环系统。它与全闭环伺服系统的区别在于其检测元件位于系统传动链的中间。20半闭环伺服系统简图工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器间接获得。由于有部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度比全闭环的稍差。但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，故结构比较简单，调整、维护也比较方便。由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，这种系统调试较容易、稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。21CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION全闭环伺服控制系统(Full-closedloop)全闭环伺服系统主要由执行元件、检测元件、比较环节、驱动电路和被控对象五部分组成。在闭环系统中，检测元件将被控对象移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码器等。21全闭环系统结构简图机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。全闭环伺服系统将位置检测器件直接安装在工作台上，从而可获得工作台实际位置的精确信息。22CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION半闭环伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ装置）伺服驱动器伺服马达编码器闭环伺服控制回路位置控制控制器（ＮＣ装置）伺服驱动器伺服马达编码器丝性标尺23CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION23伺服系统在实际生产设备中的应用绕管机：皮带线伺服控制、绕管机1#2#工位伺服电机控制易碎管机：6#工位影像系统伺服电机控制挤管线：绕圈机A、B组绕圈，大转盘，导线杆伺服控制Minicap：1-4#加盖机上料皮带24CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION24伺服系统在实际生产中的应用在这些应用中，都是采用闭环伺服控制系统，下面以绕管机皮带线伺服控制系统做例子介绍闭环伺服系统PLCSLC5001746-HSTP1步进控制模块Panasonic伺服驱动器Panasonic伺服马达编码器皮带位置光栅脉冲位置、速度反馈皮带运行位置反馈信号25CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION2.1伺服电机概述定义伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。2526CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION2.2伺服电机组成和分类26组成编码器编码器连接器电机用连接器电机外壳（定子）法兰电机转轴（转子）27CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION伺服电机分类直流伺服电动机交流伺服电动机27在我们实际生产应用当中，使用的是交流伺服电机，其具有显著特点：1、起动转矩大2、运行范围较广3、无自转现象28CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION2.3交流伺服电机原理28交流伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置的位置传感器构成。定子和采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。29CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION29伺服电机内部的转子是永磁铁，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。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。30CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION30其主要特点是：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。31CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION2.4松下伺服电机的应用和故障分析在使用松下伺服电机之前需要确认其型号3132CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION型号说明3233CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION3334CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION34伺服电机型号为MSME5AZS1S：该电机低惯量，输出功率50W，额定输入电压AC30V，绝对式编码器，17位脉冲，7线制导线带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲，电机转一圈，即其每个脉冲电机转动的角度为360°/131072=0.0027°35CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION需要我们注意的是：伺服电机实际使用当中，必须了解电机的型号规格，确认好电机编码器的分辨率，才能选择合适的伺服控制器。3536CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION松下伺服电机常见故障分析问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该注意什么问题？由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。3637CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION问题2：试机时一上电，电机就振动（加/减速）并有很大的噪声。这种现象可能是以下原因：1、由于伺服驱动器的增益设置过高，产生了自激震荡。这时候需要重新设置伺服驱动器伺服参数，适当降低系统增益；2、编码器出现故障，更换编码器。3、速度命令出现重复的杂讯，信号线受到干扰，将电源线和信号线分开，并将信号线屏蔽好。4、电机轴承，在无负载的情况下运转电机，确认电机轴承附近的震动和声音。3738CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION问题3：松下伺服电机在很低的速度运行过程中，时快时慢，象爬行一样，怎么办?伺服电机出现低速爬行现象一般是由于系统增益太低引起的，适当调整系统增益，或运行驱动器自动增益调整功能。3839CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION问题4：伺服电机没有旋转。出现此类故障时，先确认伺服控制器是否通电是否有故障显示；检查伺服电机接线是否完好；电机是否过负荷或负载机构卡死；关闭伺服控制器电源将电机从设备卸载下来，能否用手转动电机转轴。3940CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION问题5：伺服电机上电时，机械运动异常快速(飞车)。出现这种伺服整机系统故障，先确认伺服控制器是否出现故障，伺服控制参数是否设置正确，而后检查：①脉冲编码器接线是否错误；②脉冲编码器联轴节是否损坏；③检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接错。4041CONFIDENTIALNOTFORDISTRIBUTION问题6：伺服电机转动不稳定，伺服控制器速度归零后电机仍缓慢转动。