《伺服电动机》课件.ppt

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1、 控制电机控控制制电机机是是在在普普通通旋旋转电机机基基础上上产生生的的特特殊殊功功能能的的小小型型旋旋转电机机。控控制制电机机在在控控制制系系统中中作作为执行行元元件件、检测元元件件和运算元件。和运算元件。控制电机 从从工工作作原原理理上上看看，控控制制电机机和和普普通通电机机没没有有本本质上上的的差差异异，但但普普通通电机机功功率率大大，侧重重于于电机机的的启启动、运运行行和和制制动等等方方面面的的性性能能指指标，而而控控制制电机机输出出功功率率较小小，侧重重于于电机控制精度和响机控制精度和响应速度。速度。控控 制制 电 机机控控制制电机机按按其其功功能能和和用用途途可可分分为信信号号检测

2、和和传递类控控制制电机机及及动作作执行行类控控制制电机机两两大大类。执行行电机机包包括括伺伺服服电机机、步步进电机机和和直直线电机机；信信号号检测和和传递电机机包包括括测速速发电机机、旋旋转变压器和自整角机等。器和自整角机等。伺服电动机伺伺服服电电动动机机的的作作用用是是将将输输入入的的电电压压信信号号（即即控控制电压）制电压）转换成轴上的转换成轴上的角位移或角速度角位移或角速度输出。输出。在在自自动动控控制制系系统统中中常常作作为为执执行行元元件件，所所以以伺伺服服电电动动机又称为执行电动机。机又称为执行电动机。伺服电动机最大特点：伺服电动机最大特点：有有控控制制电电压压时时转转子子立立即即

3、旋旋转转，无无控控制制电电压压时时转转子立即停转。子立即停转。转转轴轴转转向向和和转转速速是是由由控控制制电电压压的的方方向向和和大大小小决决定的。定的。伺服电动机分类：伺服电动机分类：伺服电动机分为伺服电动机分为交流和直流交流和直流两大类。两大类。基本结构基本结构 交交流流伺伺服服电电动动机机主主要要由由定子定子和和转子转子构成，如图所示。构成，如图所示。1外定子铁心；2杯形转子；3内定子铁心；4转轴；5轴承；6定子绕组 杯形转子杯形转子伺服电动机结构图伺服电动机结构图 定定子子铁铁心心通通常常用用硅硅钢钢片片叠压而成。叠压而成。定定子子铁铁心心表表面面的的槽槽内内嵌嵌有有两两相相绕绕组组，

4、其其中中一一相相绕绕组组是是励励磁磁绕绕组组，另另一一相相绕绕组组是是控制绕组控制绕组。1外定子铁心；2杯形转子；3内定子铁心；4转轴；5轴承；6定子绕组 杯形转子杯形转子伺服电动机结构图伺服电动机结构图 励磁绕组励磁绕组和和控制绕组：控制绕组：两两相相绕绕组组在在空空间间位位置置上互差上互差90电角度。电角度。工工作作时时励励磁磁绕绕组组与与交交流流励励磁磁电电源源相相连连，控控制制绕组加控制信号电压绕组加控制信号电压。交流伺服电动机原理图交流伺服电动机原理图 转子的形式有两种转子的形式有两种:笼式转子笼式转子空心杯转子空心杯转子转子转子:笼式转子笼式转子:其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的

5、其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。大。空心杯转子空心杯转子:它由非磁性材料制成杯形，可看成是它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。转动惯量较小，响应迅速。工作原理交流伺服电动机的工作原理和电容分相交流伺服电动机的工作原理和电容分相

6、式式单相异步电动机相似单相异步电动机相似。在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且电压消失后电动电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能立即停转。如

7、果伺服电动机控制电机应能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把这种因失转动，则出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为控而自行旋转的现象称为自转自转。自转自转:为消除交流伺服电动机的自转现象，必须为消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子电阻加大转子电阻r2。这是因为当控制电压消失后，伺服电动这是因为当控制电压消失后，伺服电动机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使临界转差率临界转差率sm1，这时合成转矩的方向与电，这时合成转矩的方向与电机旋转方向相反，是

8、一个制动转矩，这就保机旋转方向相反，是一个制动转矩，这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。应速度等优点。消除交流伺服电动机的自转现象消除交流伺服电动机的自转现象:控制方法可可采采用用下下列列三三种种方方法法来来控控制制伺伺服服电电动动机的转速高低及旋转方向。机的转速高低及旋转方向。（1）幅幅值值控控制制 保保持持控控制制电电压压与与励励磁磁电电压压

9、间间的的相相位位差差不不变变，仅仅改改变变控控制制电电压压的的幅幅值。值。（2）相相位位控控制制 保保持持控控制制电电压压的的幅幅值值不不变变，仅仅改改变变控控制制电电压压与与励励磁磁电电压压间间的的相相位位差。差。（3）幅幅-相相控控制制 同同时时改改变变控控制制电电压压的的幅值和相位。幅值和相位。交流伺服电动机的输出功率一般在交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。以下。电电源源频频率率为为50Hz时时，其其电电压压有有36V,100V,220V,380V数种。数种。当当频频率率为为400Hz时时，电电压压有有20V，36V，115V多多种。种。交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特

10、性交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性为非线性并且因转子电阻大而使损耗大，效率低。为非线性并且因转子电阻大而使损耗大，效率低。与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所以只适用于以只适用于100W的小功率自动控制系统中。的小功率自动控制系统中。应用：应用：直流伺服电动机直流伺服电动机1基本结构基本结构 传传统统的的直直流流伺伺服服电电动动机机动动实实质质是是容容量量较较小的小的普通直流电动机普通直流电动机。有有他他励励式式和和永永磁磁式式两两种种，其其结结构构与与普普通通直流电动机的结构基本相同。直流电动机的结构基本相同。基本结构基本结构 杯

11、杯形形电电枢枢直直流流伺伺服服电电动动机机的的转转子子由由非非磁磁性性材材料料制制成成空空心心杯杯形形圆圆筒筒，转转子子较较轻轻而而使使转转动动惯惯量量小小，响响应应快快速速。转转子子在在由由软软磁磁材材料料制制成成的的内内、外定子之间旋转，气隙较大。外定子之间旋转，气隙较大。无无刷刷直直流流伺伺服服电电动动机机用用电电子子换换向向装装置置代代替替了了传传统统的的电电刷刷和和换换向向器器，使使之之工工作作更更可可靠靠。它它的的定定子子铁铁心心结结构构与与普普通通直直流流电电动动机机基基本本相相同同，其其上上嵌嵌有有多多相相绕绕组组，转转子子用用永磁材料制成。永磁材料制成。2基本工作原理基本工作

12、原理传传统统直直流流伺伺服服电电动动机机的的基基本本工工作作原原理理与与普普通通直流电动机完全相同直流电动机完全相同。依依靠靠电电枢枢电电流流与与气气隙隙磁磁通通的的作作用用产产生生电电磁磁转转矩，使伺服电动机转动。矩，使伺服电动机转动。通通常常采采用用电电枢枢控控制制方方式式，即即在在保保持持励励磁磁电电压压不不变变的的条条件件下下，通通过过改改变变电电枢枢电电压压来来调调节节转转速速。电电枢枢电电压压越越小小，则则转转速速越越低低；电电枢枢电电压压为为零零时时，电电动动机机停停转转。由由于于电电枢枢电电压压为为零零时时电电枢枢电电流流也也为为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现零，电动机不产

13、生电磁转矩，不会出现“自转自转”。小结小结伺伺服服电电动动机机在在自自动动控控制制系系统统中中作作为为执执行行元元件件，改改变变其其控控制制电电压压的的大大小小和和极极性性时时，可可以以相相应应地地改改变变其其转转速速的的大大小小和和旋旋转转的的方方向向。伺伺服服电电动动机机有有交交流流、直直流流两两种种形形式式。交交流流伺伺服服电电动动机机有有幅幅值值、相相位位、幅幅相相三三种种控控制制方方式式，可可以以通通过过加加大大转转子子电电阻阻的的方方法法消消除除“自自转转”现现象象。直直流流伺伺服服电电动动机机通通过过调调节节电电枢枢电电压压来来控控制制转转速速，无无“自转自转”现象。现象。实验相

14、关知识v光电编码器原理光电编码器原理v光电编码器，是通过光电转换将输出轴上的光电编码器，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。器。v光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。v光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。干个长方形孔。光电编码器原理v由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若

15、干脉冲信号，其原理示意成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图所示；图如图所示；v通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。度的两路脉冲信号。原理图示意图光电编码分类v根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。感应式和电容式。v根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。量式、绝对式以及

16、混合式三种。增量式编码器v增量式编码器是直接利用光电转换原理输出增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲三组方波脉冲A、B和和Z相；相；A、B两组脉冲相两组脉冲相位差位差90.每相为每转一个脉冲，用于基准点定每相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。出轴转动的绝对位置信息。绝对式编码器v绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上绝对编码

17、器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，

18、在转轴的任意位置制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有条码道。目前国内已有16位的绝对编码位的绝对编码器产品。器产品。绝对式编码器的特点v可以直接读出角度坐标的绝对值；可以直接读出角度坐标的绝对值；v没有累积误差；没有累积误差；v电源切除后位置信息不会丢失。电源切除后位置信息不会丢失。混合式绝对值编码器v它输出两组信息：它

19、输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。另一组则完全同增量式编码器的输出信息。应用v数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。定等需要检测角度的装置和设备中。举例举例 汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为圈半，选用分辨率为360个脉冲个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉圈的编码器，其最大输出脉冲数为冲数为900个；实际使用

20、的计数电路用个；实际使用的计数电路用3片片74LS193组成，在组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位系统上电初始化时，先对其进行复位(CLR信号信号)，再将其初，再将其初值设为值设为800H，即，即2048(LD信号信号)；如此，当方向盘顺时针旋；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为转时，计数电路的输出范围为20482948，当方向盘逆时，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为针旋转时，计数电路的输出范围为20481148；计数电路；计数电路的数据输出的数据输出D0D11送至数据处理电路。送至数据处理电路。PLC与伺服之间的连接方式vPLC-轴定位模块轴定位模块-伺服驱动器

21、伺服驱动器 vPLC-控制卡控制卡-伺服控制器伺服控制器 v小型小型PLC，不提供轴定位模块，不提供轴定位模块 v3种控制伺服种控制伺服 一是转矩控制一是转矩控制二是速度控制二是速度控制三是位置控制三是位置控制 注释根据不同的控制方式，根据不同的控制方式，PLC给驱动器发出信给驱动器发出信号不同，如果是扭矩控制和速度控制一般是号不同，如果是扭矩控制和速度控制一般是用模拟量来控制，一般的位置控制是用发送用模拟量来控制，一般的位置控制是用发送脉冲的方式控制，也有用模拟量控制速度，脉冲的方式控制，也有用模拟量控制速度，然后通过光栅尺反馈来做位置控制的；当然然后通过光栅尺反馈来做位置控制的；当然所有的

22、这些控制方式，也都可以通过通讯的所有的这些控制方式，也都可以通过通讯的方式进行控制，欧洲现在常用的方式是通过方式进行控制，欧洲现在常用的方式是通过CAN通讯来实现，日本的用通讯来实现，日本的用CC-LINK和和MECHATROLINK的方式比较多的方式比较多.实验说明v信号符号连接器针编号码说明信号符号连接器针编号码说明vP-OT CN1-42 信号线为信号线为L(0 V)时伺服电机可以时伺服电机可以正转。正转。vN-OT CN1-43 信号线为信号线为L(0 V)时伺服电机可以时伺服电机可以反转。反转。v/S-ON CN1-40 信号线为信号线为L(0 V)时伺服时伺服ON。此。此时，请再调

23、整为伺服时，请再调整为伺服OFF 的状态。的状态。v+24VIN CN1-47 顺序信号用的控制电源供给端子。顺序信号用的控制电源供给端子。v请确认没有输入指令。请确认没有输入指令。v 当为速度、扭矩控制用时，将当为速度、扭矩控制用时，将V-REF(CN1-5)，T-REF(CN1-9)固定在固定在0V。v 当为位置控制用时，将当为位置控制用时，将PULS(CN1-7)，SIGN(CN1-11)固定在固定在L 处。处。v伺服信号伺服信号ON,将将/S-ON(CN1-40)信号置于信号置于0V。如果情况正常，则伺服电机通电。如果情况正常，则伺服电机通电。速度控制模式(设定为Pn000.1=“0”

24、)v1.请将速度指令输入请将速度指令输入(V-REF，CN1-5)的电压缓缓提升。伺服的电压缓缓提升。伺服电机运行。电机运行。v2.使用监视模式使用监视模式Un000 伺服电机的实际转速伺服电机的实际转速Un001 速度指令速度指令v3.当将指令电压指令为当将指令电压指令为0V，而伺服电机仍然以微小的速度在旋，而伺服电机仍然以微小的速度在旋转时，速度转时，速度扭矩指令偏移的自动调整或速度扭矩指令偏移的自动调整或速度扭矩指令偏移扭矩指令偏移的手动调整，进行指令电压的修正。的手动调整，进行指令电压的修正。v4.变更转速、旋转方向时，请重新设定以下的用户常数。变更转速、旋转方向时，请重新设定以下的用

25、户常数。vUn000 伺服电机的实际转速伺服电机的实际转速vUn001 速度指令速度指令vPn300 速度指令输入增益速度指令输入增益vPn000.0 选择旋转方向选择旋转方向位置控制模式(设定为Pn000.1=“1”)v请通过用户常数请通过用户常数“Pn200.0”的设定，使指令脉冲的设定，使指令脉冲形态与上级装置的输出形态相符形态与上级装置的输出形态相符vUn000 伺服电机的实际转速伺服电机的实际转速vUn007 指令脉冲的速度显示指令脉冲的速度显示vUn008 位置偏移量位置偏移量vPn202，Pn203 电子齿轮比电子齿轮比vPn201 PG 分频比设定分频比设定vPn000.1 功

26、能选择基本开关：控制方式选择功能选择基本开关：控制方式选择vPn000.0 功能选择基本开关：旋转方向选择功能选择基本开关：旋转方向选择v功能选择开关的设定功能选择开关的设定Pn000 Pn003 进行控制方式的选择，以及进行控制方式的选择，以及在警报发生时的停止方法等基本功能、应用功能的选择。伺服增益在警报发生时的停止方法等基本功能、应用功能的选择。伺服增益等的常数设定等的常数设定vPn100 Pn118 对速度环增益、位置环增益等的数值进行设定。对速度环增益、位置环增益等的数值进行设定。v位置控制关系的常数位置控制关系的常数Pn200 Pn205 对指令脉冲的输入形态和电对指令脉冲的输入形

27、态和电子齿轮比的设定等位置控制关系的参数进行设定。子齿轮比的设定等位置控制关系的参数进行设定。v速度控制关系的常数速度控制关系的常数Pn300 Pn308 对速度指令输入增益、软起对速度指令输入增益、软起动的加、减速时间设定等速度控制关系的参数进行设定。动的加、减速时间设定等速度控制关系的参数进行设定。v扭矩控制关系的常数扭矩控制关系的常数Pn400 Pn407 对扭矩指令输入增益、正反对扭矩指令输入增益、正反转扭矩限制值的设定等扭矩控制关系的参数进行设定。转扭矩限制值的设定等扭矩控制关系的参数进行设定。v顺序关系的常数顺序关系的常数Pn500 Pn510 对各种顺序信号输出条件的设定对各种顺

28、序信号输出条件的设定和输入、输出信号的选择以及分配进行变更。和输入、输出信号的选择以及分配进行变更。v其它其它Pn600 Pn601 外置式再生电阻器的容量指定以及预约常数。外置式再生电阻器的容量指定以及预约常数。v辅助功能的执行辅助功能的执行Fn000 Fn012 执行执行JOG 模式运行等辅助性的功模式运行等辅助性的功能。能。v监视模式监视模式Un000 Un00D 速度和扭矩指令值的监视，可以通过监速度和扭矩指令值的监视，可以通过监视确视确认输入认输入/输出信号的输出信号的ON/OFF。使用使用/不使用输入信号的切换不使用输入信号的切换vPn50A.3 2(出厂时的设定出厂时的设定)使用

29、禁止正转输入信使用禁止正转输入信号号(P-OT)。v(CN1-42 为开，则禁止正转；为为开，则禁止正转；为0V，则允许正转。，则允许正转。)v8 不使用禁止正转输入信号不使用禁止正转输入信号(P-OT)。v(通常允许正转。将通常允许正转。将CN1-42 设为设为0V，与短路起同等，与短路起同等作用作用)vPn50B.0 3(出厂时的设定出厂时的设定)使用禁止反转输入信使用禁止反转输入信号号(N-OT)。v(CN1-43 为开，则禁止反转；为为开，则禁止反转；为0V，则允许反转。，则允许反转。)v8 不使用禁止反转输入信号不使用禁止反转输入信号(N-OT)。v(通常允许反转。将通常允许反转。将CN1-43 设为设为0V，与短路起同等，与短路起同等作用作用)vPn001.1 选择超程时的电机停止方法出厂时设定选择超程时的电机停止方法出厂时设定0速度、扭矩控制位置控制速度、扭矩控制位置控制