伺服原理介绍

伺服原理★伺服原理伺服主回路架构伺服控制回路架构★伺服控制模式转矩控制速度控制位置控制节点控制其他控制★伺服使用接口电路及配线主要内容★伺服原理伺服主回路架构伺服控制回路架构指令部分执行机构驱动部分机械负载控制量驱动量反馈部分转矩伺服系统，大致上可分为下列几项：1.指令部分：动作指令信号的输出装置。2.驱动部分：接收指令部分的输出，并驱动执行机构（比如电机）动作的装置。3.反馈部分：检测执行结构或者负载状态的装置。4.执行机构：接收驱动部分的输出信号，产生转力矩、位置等状态。伺服概述UVWPWMINVERTERIGBTL1L2L3三相220VB2B3数字信号处理器＋伺服主回路架构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。1.主回路动态制动是如何发生的？第一种情况：1.5kW以下的PRONET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较长的减速时间和平滑的停机。2.动态制动动态制动是如何发生的？第二种情况：2kW以上的ProNet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。2.动态制动动态制动何时发生？ServoOff：动态制动打开以保证安全。ServoOn：动态制动关闭。伺服驱动器进入ServoOff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Pn004.0指定电机如何停机。2.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。2.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，松下伺服驱动器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。2.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。3.再生再生的目的再生有两个主要功能：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。3.再生再生的目的当再生电路中需要更大的元器件时必须有外部再生。有时，在一些特殊应用中电阻R的功率或电容C的容量不够大，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。750W~5.0kW的ProNet伺服驱动器都有内部电阻R和电容C，如果需要外部再生，必须将内部电阻R断开（去掉B2和B3的外部短接线），并且在B1和B2端子上外接电阻。3.再生时序在下面的例子中，假定有220V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310V（220*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C充电。当母线电压超过385VDC，再生晶体管TR就会打开，能量就会消耗到电阻R上，晶体管实际在385VDC到370VDC循环开关。3.再生时序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），表示母线电压超过420VDC，或者发生再生异常报警（A16），表示TR打开时间太长（一个内部寄存器专用于记录TR的开/关时间）。3.再生时序如果发生了A13和A16报警，我们需要改变再生电阻R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R的电流量。增大电阻功率并不一定是正确的解决问题的方法，因为流过电阻R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。3.再生再生的计算电机产生的能量：En=0.5JM[(2πN/60)2]电容消耗的能量：Ec=0.5C（Vk2-Vr2）电机绕组消耗的能量：Em=3[JMN(2πIr/60Tr)]2*(Ra/td)负载消耗的能量：EL=0.5TL(2πNtd/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/Cycle3.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C、电机绕组、电阻R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式。3.再生位置控制器外部速度外部扭矩位置脉冲IO信号输入IO信号输出ABZ输出1CN速度控制器电流控制器PWMENCA/DCOM串行通讯2CNA/D参数调整数据监控显示处理编码器信号处理电流信号处理RS-485伺服控制回路架构Canopen★伺服控制模式转矩控制速度控制位置控制节点控制其他控制控制模式1.转矩控制非速度控制，控制输出的转矩即为典型转矩控制。常使用于张力控制等场合。输入为模拟量，模拟量大小与转矩大小的关系取决于转矩指令增益。举例：假定用户设定Pn400是100，则表明若输入10V的模拟量时,电机输出转矩可以达到其额定转矩的100%。1.转矩控制转矩控制首先应注意限制电机转速，电机转速可以用模拟量进行限制，也可以通过设置参数来限制转速。转矩指令增益Pn400数值设定越小，相同模拟量对应的转矩越大。注意事项1、Pn300速度指令增益2、Pn400转矩指令增益3、Pn105转矩指令滤波4、Pn406转矩速度限制转矩控制中可能用到的参数1.转矩控制速度指令增益加减速PI调节转矩指令滤波电流环电机PG解码测速电路PG分频电路-转矩指令增益转矩限幅参数限幅Pn011Pn010外部限幅模拟转矩模拟量限幅转矩前馈+模拟速度PAO、PBO、PCO差分输出速度环框图2.速度控制2.速度控制速度控制即电机按照给定的速度指令进行运转。速度控制的应用场合相当广泛，典型的应用场合有：需要快速响应的连续调速系统；由上位机进行位置闭环的定位系统；需要多档速度进行快速切换的系统。通常伺服的速度给定为模拟量，即模拟量幅值的大小决定了给定速度的大小，正负决定电机的转向，而模拟量与转速的对应关系取决于速度指令增益(Pn300)。P/PI控制2.速度控制注意事项速度环增益Pn102，通常是设定高一些以使得整个系统响应快一些，电机刚性也会增强。但是增益大了可能导致系统振动。一般负载惯量大的场合该参数设得大一些。速度环积分时间Pn103，它的作用是消除静差，数值设得越大响应越慢，到达指令时间越长。通常负载惯量越大，积分时间应设定得越大。上位机作闭环时，应尽量不要设置软起动减速时间参数Pn306、Pn307。若没有上位机作闭环，希望通过模拟量来使得电机完全停止，则必须采用零钳位或比例控制。用上位机作位置闭环时，模拟量不能自动调零。2.速度控制速度控制中可能用到的参数：1、Pn300速度指令增益2、Pn102速度环增益3、Pn103速度环积分时间4、Pn306软起动加速时间5、Pn307软起动减速时间6、Pn200PG分频7、Pn310速度指令曲线形式8、Pn309S曲线上升时间[0~10000]9、Pn308一次和二次滤波时间[0~10000]10、Pn311S形状选择[0~3]2.速度控制电流环电机PG速度环P调节位置指令一次滤波电子齿轮位置指令位置前馈前馈滤波到位信号速度偏置PG分频电路PAO、PBO、PCO差分输出-+++++位置环框图3.位置控制3.位置控制位置控制普遍应用在各种定位场合，可以直接替换各种步进传动系统。一般情况下伺服通过接受脉冲来进行位置控制，脉冲的个数决定了位置，脉冲的频率决定了电机运行的速度。一个脉冲对应的位置当量，取决于机械结构和电子齿轮。电子齿轮介绍使用电子齿轮设定将一个脉冲对应到一个位置当量（指令单位）上。这样方便用户，可以根据机械减速比等设置好电子齿轮，如指令单位与机械需要移动的位移匹配。设定电子齿轮本质上只要知道负载轴旋转一圈工作台移动的距离（分母Pn202），编码器反馈的脉冲数（分子Pn201）。工作台移动的距离是多少个指令单位，反馈的脉冲数可以由电机的编码器反馈得到。详细的设定步骤可以参考说明书，但要注意A是分母，B是分子。3.位置控制由于目前国内有的系统脉冲频率偏低，如果只用一个电子齿轮，使得加工的效率和位置分辨率无法兼顾，因此ProNet伺服具有第二电子齿轮（分子），且第一电子齿轮和第二电子齿轮之间可以动态切换。第二电子齿轮只会在Pn005.1=1，且Pn001.3=1时有效，Pn203是第二电子齿轮的分子。Pn002.0是指两种切换方式，PCON作为切换开关；若Pn001.3=0时，PCON信号仍作为P/PI开关。第二电子齿轮3.位置控制动态电子齿轮的切换时序(1)3.位置控制动态电子齿轮的切换时序(2)3.位置控制动态电子齿轮的切换时序(3)3.位置控制错动态电子齿轮的切换时序(4)3.位置控制当上位装置无加减速功能设置时。当电子齿轮设定数值较大时。指令脉冲频率低时。指令脉冲频率不稳定时。以上这几种情况根据需要设定位置指令一次滤波、前馈等参数。当用户设定的前馈较大时，设定前馈滤波效果会更好。位置环下的平滑运行3.位置控制使用高增益有助于快速定位，减小跟随误差，但要注意位置环增益和速度环增益的匹配。使用前馈技术理论上可以完全消除跟随误差，是快速定位的理想方法。速度偏置补偿。以上三种方法使用不当都有可能引起系统的振荡，一般相关的几个插补轴的增益、前馈等参数应尽量设置的靠近或一样。快速定位3.位置控制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设定在80%以下，对于大多数机械，设定超过80%将会引起振动，使用前馈滤波Pn113可以减小振动。3.位置控制通过分配偏置（设定偏差脉冲）到速度指令输出，可以减小最终的定位时间。该功能将使实际运动轮廓更逼近指令运动轮廓。偏置功能3.位置控制ProNet伺服系统内部可以运行16个点位控制，每一节点速度可以设定，每一节点可以设置一次指令加减速时间。可以延时换步，也可以外部输入换步信号。可以绝对值编程也可以相对编程。可以循环运行，也可以单次运行，还可以找参考点。4.点位控制1、启动/停止功能，可以通过外部输入来启动/停止程序，也可通过通讯方式来启动/停止程序。2、位置示教功能，Fn008：tEACH-donE；经过上述过程伺服系统会将当前位置修改为Pn687*10000+Pn688的数值。3、停止程序使得内部脉冲停发，启动后程序仍将这一步走完。4、用户可以选择是否要启动/停止功能，若需要该功能，用户可以在P-CL，N-CL中选一个作为启动/停止用，另一个可以仍作为搜索参考点用。5、S-OFF将使得用户程序回到起始步，这样便于用户重新执行程序。4.点位控制Pn681.0[0]循环运行，PCL启动信号，NCL反向找参考点[1]单次运行，PCL启动信号，NCL反向找参考点[2]循环运行，NCL启动信号，PCL正向找参考点[3]单次运行，NCL启动信号，PCL正向找参考点当Pn681.1=2或3时，PCL或NCL才可以作为启动信号使用。4.点位控制P