交流伺服电机结构及控制技术.ppt

1、交流伺服电机的结构及控制原理,主讲:刘遥生 深圳职业技术学院 QQ:1132373680、手机旨在让高技能人才了解交流伺服电机的基本结构、原理和控制系统。为正确使用交流伺服电机打下良好的基础。,讲座目的,主讲:刘遥生 深圳职业技术学院 QQ:1132373680、手机2 伺服电机基本结构及原理,内容,3 旋转磁场作用下的运行分析,4 交流伺服电机的机械特性及控制方式,5 伺服电机编码器,7 伺服电机选型,1 概述,6 交流伺服电机的应用,伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。,1

2、 概述,1、交流伺服电动机,2、直流伺服电动机,伺服电动机分为：,1.1 什么叫伺服电机,松下交流伺服电机及驱动器,1 概述,在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。,1.2 伺服电机最大特点,伺服电机转动特性录像,1 概述,1.3 伺服电机与普通电机相比具有如下特点,(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。,迅速启动停转特性录像,1 概述,1.4 伺服电机在自控制系统中的

3、典型应用,其它场合的应用,1 概述,1.5 国内外主要伺服系统生产企业介绍,1.5.1 国内重要伺服系统生产企业,2、深圳市汇川技术股份有限公司，公司前身为深圳市汇川技术有限公司，2008年整体变更设立深圳市汇川技术股份有限公司，2010发行上市。,1、广州数控设备有限公司公司，创建于1991年，位于广州市罗冲围螺涌北路一街7号。,1 概述,1.5 国内外主要伺服系统生产企业介绍,3、南京埃斯顿工业自动化有限公司 ， 该公司以“做国产最好的伺服”为目标。,4、太仓东元微电机有限公司公司，成立于2003年，台资企业。,1.5.1 国内重要伺服系统生产企业,南京埃斯顿,太仓东元,1 概述,1.5

4、国内外主要伺服系统生产企业介绍,5、卧龙电气集团股份有限公司公司，前身是成立于1995年的浙江卧龙集团电机工业有限公司。1998年变更设立为浙江卧龙电机股份有限公司。,1.5.1 国内重要伺服系统生产企业,6、北京和利时电机技术有限公司，位于江苏省苏州市太仓市浏河镇闸南工业区。,卧龙电气,北京和利时,1 概述,1.5 伺服电动机典型生产厂家,1.5.2 国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：,1、德国西门子。2009年伺服系统在大陆的销售额为4.49亿元，占大陆交流伺服系统市场份额的9.8%。,2、日本安川公司。安川电机（上海）有限公司成立于1999年4月，由

5、日本株式会社安川电机（成立于1915年）独资，专门负责日本株式会社安川电机的运动控制产品(变频器、伺服电机、控制器、附件)在中国国内的销售及服务。2009年市场份额接近西门子公司。,德国西门子伺服电机,安川伺服电机驱动器,1 概述,1.5 伺服电动机典型生产厂家,4、日本三菱。在大陆设立了三菱电机大连机器有限公司，主要生产ES系列伺服驱动器，其他伺服产品均需要进口。,3、日本松下。成立于1918年。2009年伺服系统在大陆的销售额为4.39亿元，占大陆交流伺服系统市场份额的9.6%。在大陆设立珠海松下马达有限公司，产品供应全球市场，出口比例为40-50%。,1.5.2 国外重要伺服系统生产企业

6、 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：,松下交流伺服电机及驱动器,1 概述,1.5 伺服电动机典型生产厂家,5、美国科尔摩根。成立于1984年，1995年在中国设立生产分厂，2005年正式在中国运营。目前全球销售额过10亿美元。,1.5.2 国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：,2 伺服电机基本结构及原理,交流伺服电机系统,驱动器,交流伺服 电机器,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 伺服电机的结构,交流电机,编码器,交流电机电源线,编码器信号输出线,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 伺服电机的结构,交流电机转子,电机外壳,电缆插头,编码器线,交

7、流电机定子,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 结构,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 结构,由定子、转子和编码器等分组成,转子,编码器线,定子,1.2 伺服电机基本结构及原理,1.2.1 结构,1、定子 由铁心和线圈组成,控制绕组与励磁绕组相差900,2 伺服电机基本结构及原理,2.1 结构,1、定子 由铁心和线圈组成,励磁绕组,控制绕组,励磁电压,控制电压,(1) 笼型转子,铁芯槽内放铜条,端 部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。,2 伺服电机基本结构及原理,2、 转子分笼型和杯型,笼型转子,(2) 杯型转子,薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm,2 伺服电机基本结构

8、及原理,杯型转子,2.2 转动原理,2 伺服电机基本结构及原理,转动演示录像,2.2 转动原理,2.2 转动原理,当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时针方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩

9、方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。,2 伺服电机基本结构及原理,3 旋转磁场作用下的运行分析,为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。,3.1伺服电机旋转磁场的产生,3 旋转磁场作用下的运行分析,同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为,3.1 旋转磁场的产生,控制绕组,励磁绕组,当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生

10、一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。,3.1 旋转磁场的产生,3.2伺服电机旋转磁场的方向,控制绕组,励磁绕组,控制绕组,励磁绕组,3.2 伺服电机旋转磁场的方向,3.3 伺服电机旋转磁场的速度,旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当 电源频率f400 Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为 n0= 24000 rmin 旋转磁场转速为的一般表达式为,4.伺服电机的机械特性及控制方式,4.1 伺服电机的机械

11、特性,对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁NS和NS在空间以相反方向旋转。,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,T正,T反,T合,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,转子电阻小,转子电阻大,n.s,当电阻已增大到使临界转差率1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时，

12、电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。,4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象,4.3 伺服电机控制方式及特性,设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。,伺服电动机的机械特性,A,B,C,结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制,5 伺服电机编

13、码器,编码器 部分,安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。,伺服电机控制精度取决于编码器精度。,5.1 伺服电机编码器结构,编码器,编码器,伺服电机控制精度取决于编码器精度。,5.1 伺服电机编码器,编码器,5 伺服电机编码器,伺服电机控制精度取决于编码器精度。,5.1 伺服电机编码器,编码器,5 伺服电机编码器,5 交流伺服电机的应用,5.1 伺服电机编码器,编码器,5.2 伺服电机驱动器,1、主要功能 （1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC； （2）接收编码器的速度和位置信号； （3）I/O信号接口,5.2伺服电机驱动器,数码显示窗口,参数设置键,计算机RS232口,I/O信号

14、接口,编码器信号接口,电机电源输入输出接线端子,2、外部组成,5.2伺服电机驱动器,3、控制模式,（1）位置控制模式最大输入脉冲频率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于开路收集器）,（2）速度控制模式 模拟速度指令输入：010V/额定转速,（3）力矩控制模式模拟力矩指令输入：010V/最大力矩,5.2 伺服电机驱动器,4、原理框图,6 交流伺服电机系统应用,图 2-2 交流伺服电机系统接线示意图,交流伺服电机驱动器,连接AC220V,I/O板,6.1 交流伺服电机系统结构,6 交流伺服电机系统应用,6.1 交流伺服电机系统结构,方法一 联接计算机使用软件设置,方法二 直接在驱动器

15、面板按钮设置,6 交流伺服电机系统应用,6.2 交流伺服电机系统设置参数,方法一、使用计算机设置参数,1、启动软件,2、修改参数NO.19=000E (允许参数改写),3、修改参数O.41=0001 （内部使能）,4、正反转试运行,6.2 交流伺服电机系统设置参数,1、启动软件,2、进入TEST功能，使用JOG模式调试系统,3、正反转试运行,2 、使用计算机调试伺服电机系统,1、启动软件将参数NO.41=0000,改为外部使能，然后关闭软件,2、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。,3、按MODE键，显示rd-of,3、使用驱动器操作面板手动调试伺服电机系统,4、按UP键多次直至显示TES

16、T1,5、按住SET直至显示窗显示D-01并闪烁,6、按UP正转，按DOWN反转,1、接通电源显示窗口显示数字为设备连接正确。,如：设置参数NO19,3、按DOWN或UP键多次，直至显示P 19,4、按SET键，显示窗显示0000,5、按SET键，显示窗0000闪烁,2、按MODE键多次，直至显示数P 00,6、按DOWN或UP键多次，直至显示000E,7、按SET键，再次通电。设置生效。,3、使用驱动器操作面板手动设置参数的方法,7.1 功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1. 对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2. 对于短时

17、工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,7.伺服电机的选择,7.2 种类和型式的选择,（1）. 种类的选择,一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。,（2）. 结构型式的选择,根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机,7.伺服电机的选择,55,机械构成要素支持10种类型 惯量比的计算以及各种数据的准备 双击数据输入部分后打开工具计算画面，能够代入计算 在工具中含有密度、摩擦系数、有

18、效率等 选择带减速机的电机后考虑减速机的效率、惯量比后进行计算 可以计算任意运行曲线,7.3. 容量的选择要注意的几个问题,使用软件进行选择,56,1.速度余量和转矩余量,为了今后，能够稳定的运行容量选型软件 滚珠丝杠间距以及减速比的选定中，留有一定余量 可以比额定速度高速的运行 HF-KP可以以额定的2倍，最大转速为6000r/min运行 刚开始运转的机器，因为摩擦损耗等造成负载转矩增加的几率要比高速运转中的机器高 留有转矩余量 峰值转矩为最大转矩(300%)d的70% 实际转矩为额定转矩(100%)的5070% 速度余量即使有，也不能保证稳定性,57,2.圆筒的惯量比,有2种计算方法,比重

19、一覧,通过外径、内径、质量计算,通过外径、内径、长度、密度计算,58,3.带减速机电机的选择,一般工业用的(G1)，齿隙比较大 加减速快的话，会发出异常声音，容易损坏 特别是中容量的摆线减速机强度弱，要注意负载惯量比 填入减速机的效率、惯量比后，自行计算 驱动部分的效率值是减速机与输入的比值,59,4.水平滚珠丝杠,负载惯量比 滚珠丝杠尺寸 (导程、直径、长度) 工作台、工件的质量 负载转矩 摩擦系数 反负载力 减速比 运行曲线,60,5.垂直滚珠丝杠,负载惯量比 滚珠丝杠尺寸 工作台、工件的质量 配重的质量 负载转矩 摩擦系数 反负载力 减速比 运行曲线,没有配重时，停止时也有很大负载，所以选型时要留余量 为了安全起见，选择大1个等级,配重,61,6