伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五控制方案設(shè)計(jì)015.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖任務(wù)分析項(xiàng)目五繼續(xù)以典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-沖壓機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)給部分項(xiàng)目為切入點(diǎn)完成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用、伺服驅(qū)動(dòng)器原理及應(yīng)用、電氣原理圖的繪制、元器件的選擇、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等5.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖某沖壓機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)給部分要求負(fù)載速度vL≥15m/min重復(fù)定位次數(shù)n≥40次/min定位精度高于0.01mm，采用X軸、Y軸十字滑臺(tái)進(jìn)給方式，滾珠絲杠螺距為5mm。要求由PLC控制，有工作狀態(tài)指示，完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分析可知，系統(tǒng)對(duì)位置精度、重復(fù)定位精度、移動(dòng)速度、控制偏差等都有較高的要求，因此，需要選用閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，動(dòng)力選用伺服電動(dòng)機(jī)。工作狀態(tài)指示燈有進(jìn)給故障燈、機(jī)床正常燈。5.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖結(jié)構(gòu)形式如圖5-1所示，形式和圖4-1步進(jìn)給系統(tǒng)相同，把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更換為伺服電動(dòng)機(jī)即可。從圖中可以看出，伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外觀上最大區(qū)別是：伺服電動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)，并帶有編碼器（或其他速度檢測(cè)器件）。5.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖本項(xiàng)目主要是完成兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的控制，一個(gè)X軸的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)，一個(gè)Y軸的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)。此外，還需要相應(yīng)的控制面板（控制按鈕等）及指示（狀態(tài)指示燈等）。伺服電動(dòng)機(jī)需要上電和正反向控制，對(duì)位置精度有較高的控制要求，此外還需相應(yīng)的輸入及輸出指示。因此，本項(xiàng)目選用PLC作為控制核心。5.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖電源：電源部分采用380V/220V變壓器得到220VAC電壓，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)電源獲得24VDC電壓。電源部分負(fù)責(zé)給交流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、強(qiáng)電控制電路、PLC和控制面板等供電，并起到保護(hù)作用。伺服驅(qū)動(dòng)單元：電源要根據(jù)不同的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體確定，在本項(xiàng)目的位置控制系統(tǒng)中，采用了永磁同步交流伺服電機(jī)，及對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器采用AC220V電源供電。5.1.1設(shè)計(jì)控制方案圖強(qiáng)電控制電路：主要用于系統(tǒng)急停、伺服系統(tǒng)電路的上電等。PLC：采用西門子s7-1200型PLC，用于控制強(qiáng)電電路，進(jìn)而控制伺服驅(qū)動(dòng)器上電；控制伺服（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)器的方向信號(hào)和速度信號(hào)；控制狀態(tài)指示燈等?？刂泼姘澹褐饕糜趶?qiáng)電電路的急停輸入；PLC的起動(dòng)、停止等輸入和故障指示、正常指示等輸出。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五控制方案設(shè)計(jì)015.1.2電源電路電源電路D1與交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源電路類似5.1.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路其主要能完成X軸和Y軸的伺服電動(dòng)機(jī)H1-M1、H1-M2上電、速度控制、方向控制等功能。動(dòng)力部分的R和S分別連接220VAC電源，PE接地。U、V、WP、G分別于伺服電動(dòng)機(jī)相連。電動(dòng)機(jī)（驅(qū)動(dòng)器）上電或斷電受接觸器H1-K1和H1-K2控制。轉(zhuǎn)速控制端Pul、方向控制端Sign接PLC高速脈沖輸出端，使能端Son接PLC高低電平輸出端?？刂齐娫炊俗咏?4V直流電源正端，G接24V直流電源負(fù)端。5.1.3強(qiáng)電控制電路主要完成系統(tǒng)急停、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)單元的上電，單獨(dú)斷電等功能。M1-SB1為急停按鈕，通斷信號(hào)控制繼電器M1-K1線圈，其觸點(diǎn)通斷信號(hào)分別控制右側(cè)電路和PLC急停。M3-K1為第5頁(yè)P(yáng)LC輸出Q2.0控制的繼電器線圈的觸點(diǎn)，控制H1-KM1、H1-KM2接觸器線圈的得失電。H1-KM1、H1-KM2觸點(diǎn)控制驅(qū)動(dòng)器上電，閉合時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器上電。M1-SA1、M1-SA2為鑰匙開(kāi)關(guān)，用于設(shè)備調(diào)試或故障處理單獨(dú)通斷X、Y伺服驅(qū)動(dòng)單元5.1.4PLC輸入電路設(shè)計(jì)M2-SB1、SB3按鈕用于控制伺服電動(dòng)機(jī)上電和斷電M2-SB5、SB2用于控制伺服電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止M2-SB4用于控制伺服電動(dòng)機(jī)故障碼復(fù)位M2-SB6用于控制伺服電動(dòng)機(jī)回原點(diǎn)，原點(diǎn)位置采用電感式開(kāi)關(guān)檢測(cè)X、Y電動(dòng)機(jī)原點(diǎn)傳感器分別為SP1、SP2。此外伺服電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要移動(dòng)正負(fù)最大限位保護(hù)，此處采用行程開(kāi)關(guān)M2-SQ1、SQ2、SQ3、SQ4。急停信號(hào)來(lái)自第3頁(yè)M1-K1。5.1.5PLC輸出電路設(shè)計(jì)PLC輸出電路主要實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)外圍器件的控制Q2.0為高電平時(shí)，繼電器M3-K1線圈得電第3頁(yè)中M3-K1觸點(diǎn)閉合，當(dāng)沒(méi)有急停，鑰匙開(kāi)關(guān)M1-SA1、SA2閉合時(shí)，接觸器H1-KM1、H1-KM2線圈得電第2頁(yè)圖中的接觸器觸點(diǎn)H1-KM1、H1-KM2閉合，伺服電動(dòng)機(jī)（實(shí)為伺服驅(qū)動(dòng)器）上電。Q0.0接X(jué)軸伺服驅(qū)動(dòng)器速度（脈沖）控制信號(hào)Pul1，Q0.2接X(jué)軸伺服驅(qū)動(dòng)器方向控制信號(hào)Sign1當(dāng)Q0.2分別為低電平或高電平時(shí)，X軸伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向剛好相反。5.1.5PLC輸出電路設(shè)計(jì)Q0.2接Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器速度（脈沖）控制信號(hào)Pul2Q0.3接Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器方向控制信號(hào)Sign2當(dāng)Q0.3分別為低電平或高電平時(shí)，Y軸伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向剛好相反。Q2.1接繼電器M3-K2，觸點(diǎn)控制X軸伺服驅(qū)動(dòng)器使能端。Q2.2接繼電器M3-K3，觸點(diǎn)控制Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器使能端。當(dāng)Q2.1、Q2.2為高電平時(shí)，繼電器線圈得電，第2頁(yè)中相應(yīng)觸點(diǎn)接通，使能端接地，驅(qū)動(dòng)器使能。Q0.4、Q0.5分別用于指示機(jī)床進(jìn)給部分正常運(yùn)行或故障。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.1伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與分類伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務(wù)是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動(dòng)控制對(duì)象。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和極性（或相位）發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。1.結(jié)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件構(gòu)成。5.2.1伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與分類定子上有兩個(gè)繞組，勵(lì)磁繞組l1-l2和控制繞組k1-k2。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈，導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子在由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)自帶編碼器等檢測(cè)元件，編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)角等信號(hào)輸出反饋值，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。5.2.1伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與分類2.分類按照電流種類不同，伺服電動(dòng)機(jī)可分為交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。按照結(jié)構(gòu)來(lái)分，又可以分為有刷式伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷式伺服電動(dòng)機(jī)。例如，永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)為有刷式。如圖5-8所示。

有刷式——永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)刷式直流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)刷式永磁式同步交流伺服電動(dòng)機(jī)感應(yīng)式交流伺服電動(dòng)機(jī)圖5-8按結(jié)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)類型5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)1.交流伺服電動(dòng)機(jī)20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技木和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，交流伺服系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展日新月異。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)和三相交流伺服電動(dòng)機(jī)同屬于感應(yīng)式交流伺服電動(dòng)機(jī)下面以結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)（1）兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與單相電容式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子上裝有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組l1-l2，另一個(gè)是控制繞組k1-k2，它們?cè)诳臻g相隔90°，如圖5-8所示。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式有兩種：高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。①鼠籠轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)

結(jié)構(gòu)與三相鼠籠式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相似，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。包括鼠籠條、短路環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、風(fēng)扇和編碼器等。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來(lái)將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條的兩端用兩個(gè)短路環(huán)連接，這就構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組。如果去掉鐵心，整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組形成一鼠籠狀。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的，為了制造方便，一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把鐵心疊壓后放在模子內(nèi)用鋁澆鑄，把鼠籠導(dǎo)條與短路環(huán)鑄成一體5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)②空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)由外定子、內(nèi)定子、杯形轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁繞組、控制繞組和編碼器組成。結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)圖中外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全一樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長(zhǎng)的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它的杯壁極薄，僅0.2～0.3mm。杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)、外定子是不動(dòng)的。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子從外表形狀來(lái)看是不一樣的。但實(shí)際上，杯形轉(zhuǎn)子可以看作是鼠籠條數(shù)目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子的兩端也可看作由短路環(huán)相連接。這樣，杯形轉(zhuǎn)子只是鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。從實(shí)質(zhì)上看，在電機(jī)中所起的作用完全相同。因此在以后分析時(shí)，只以鼠籠轉(zhuǎn)子為例，分析結(jié)果對(duì)杯形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)也完全適用。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)③空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及選用a.空心杯形與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。b.由于空心杯形的轉(zhuǎn)子沒(méi)有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒(méi)有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子一般不會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。c.由于空心杯形內(nèi)、外定子間氣隙較大（杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙），所以勵(lì)磁電流就大，降低了電機(jī)的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小。d.空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜。因此，目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)，只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場(chǎng)合下（如積分電路等），才采用非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)（2）兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理單相交流電源的電流時(shí)序如圖5-11上圖所示。電流通過(guò)定子線圈時(shí)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如圖5-11下圖所示。在t1時(shí)刻，電流從線圈上端流入為正，產(chǎn)生向左的磁場(chǎng)，為了便于分析，可以分解成左上、左下兩個(gè)磁場(chǎng)。在t2時(shí)刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場(chǎng)為0。在t3時(shí)刻，電流從線圈上端流出為負(fù)，產(chǎn)生向右的磁場(chǎng)，為了便于分析，可以分解成向右上、右下兩個(gè)磁場(chǎng)。如圖在t4時(shí)刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場(chǎng)為05.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)周而復(fù)始，此磁場(chǎng)為左右往復(fù)變化的交變磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)并不能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。如果要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，則必須先產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)電路如圖5-12所示。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)以單相異步電動(dòng)機(jī)原理為基礎(chǔ)，其定子上有勵(lì)磁、控制兩組繞組線圈。通過(guò)電容，使兩組繞組電流相位互差90°，這種在空間上互差90°電角度，有效匝數(shù)相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組。

勵(lì)磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)Uf上，控制繞組接到控制電壓Uk上，當(dāng)電流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等時(shí)，這樣的兩個(gè)電流稱為兩相對(duì)稱電流。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

在t1時(shí)刻，控制電流ik為最大值從k1端流入控制繞組，從k2端流出。勵(lì)磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bk，方向向下。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)在t2時(shí)刻，勵(lì)磁電流if為最大值，從l1端流入控制繞組，從l2端流出?？刂齐娏鱥f為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bf，方向向左。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)在t3時(shí)刻，控制電流ik為負(fù)最大值，從k2端流入控制繞組，從k1端流出。勵(lì)磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bk，方向向上。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)在t4時(shí)刻，勵(lì)磁電流if為負(fù)最大值，從l2端流入控制繞組，從l1端流出?？刂齐娏鱥f為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bf，方向向右。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)根據(jù)分析可知，流入兩相對(duì)稱電流，兩相繞組便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。判斷過(guò)程如下：①轉(zhuǎn)子電流方向的確定：當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。根據(jù)右手定則，確定轉(zhuǎn)子內(nèi)部電流方向。②轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的確定：根據(jù)左手定則，判斷出導(dǎo)條的轉(zhuǎn)矩方向，也是順時(shí)針?lè)较?。因此，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速為：

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于定子繞組的極對(duì)數(shù)和電源的頻率。交流伺服電動(dòng)機(jī)使用的電源頻率通常是標(biāo)準(zhǔn)頻率f=400Hz或50Hz。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同把控制電壓的相位改變180°，則可改變何服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)（3）兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有以下顯著特點(diǎn)：①起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖5-16中曲線1所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性〔機(jī)械特性〕更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。②運(yùn)行范圍較寬，能在寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。根據(jù)圖5-16可知，轉(zhuǎn)差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)③轉(zhuǎn)子的慣性小，響應(yīng)快，隨控制電壓改變反應(yīng)很靈敏。當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。④在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。假設(shè)控制電壓為大小為UK，則交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖5-17所示。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)⑤無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求是控制電壓一旦取消，電動(dòng)機(jī)必須立即停轉(zhuǎn)，但根據(jù)單相異步電動(dòng)機(jī)的原理，若電動(dòng)機(jī)一旦轉(zhuǎn)動(dòng)以后，再取消控制電壓，僅勵(lì)磁電壓?jiǎn)蜗喙╇?，則它將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，即存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這意味著失去控制作用，這是不允許的，如何解決這個(gè)矛盾呢？下面將重點(diǎn)介紹消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的措施。其解決辦法就是使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條具有較大電阻，從三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可知，轉(zhuǎn)子電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性影響很大。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻R21<R22<R23時(shí)，n=f（T）曲線如圖5-18所示。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)轉(zhuǎn)子電阻越大，達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)子電阻增大到一定程度（例如圖中R23）時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)在S>1附近。為此目的，一般把伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻R設(shè)計(jì)得很大，這可使電動(dòng)機(jī)在失去控制信號(hào)，即成單相運(yùn)行時(shí)，正轉(zhuǎn)矩或負(fù)轉(zhuǎn)矩的最大值均出現(xiàn)在Sm＞1處，這樣就可得出圖5-19所示的機(jī)械特性曲線。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)當(dāng)控制電壓Uk降為0，勵(lì)磁電壓Uf和電流if仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)（如圖5-11“單相交流電時(shí)序及產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)”，產(chǎn)生左右變化的脈動(dòng)磁場(chǎng)），此磁場(chǎng)可以視為正、反旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，如圖5-20所示。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動(dòng)磁場(chǎng)分解的正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)n+、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)n-對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉(zhuǎn)矩曲線。假設(shè)電動(dòng)機(jī)原來(lái)在單一正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下運(yùn)行于A點(diǎn)，此時(shí)負(fù)載力矩是ML，一旦信號(hào)消失，電機(jī)即按合成曲線T運(yùn)行。由于慣性轉(zhuǎn)速n不變，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)由A移到B，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)反向的制動(dòng)力矩MZ。在ML、MZ作用下迅速停止。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動(dòng)磁場(chǎng)分解的正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)n+、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)n-對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉(zhuǎn)矩曲線。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證不會(huì)存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。停轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間，比兩相電壓Uc和Uf同時(shí)取消，單靠摩擦等制動(dòng)方法所需的時(shí)問(wèn)要少得多。這正是兩相交流何服電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組始終接在電源上的原因。綜上所述，增大轉(zhuǎn)子電阻R，可使單相供電時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利于消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，同時(shí)R的增大，還使穩(wěn)定運(yùn)行段加寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，有利于調(diào)速和啟動(dòng)。這就是兩相交流何服電動(dòng)機(jī)的鼠籠導(dǎo)條通常都用高電阻材料制成和杯形轉(zhuǎn)子的壁做得很薄的緣故。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)（4）交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若改變控制電壓的大小或改變它與激勵(lì)電壓之間的相位角，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)都將發(fā)生變化，從而影響到電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位來(lái)達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。因此，兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法有三種：（1）幅值控制，即保持Uk與Uf相差90°條件下，改變Uk幅值大小。（2）相位控制，即保持Uk的幅值不變條件下，改變Uk與Uf之間相位差。（3）幅相控制，即同時(shí)改變Uk的幅值和相位。幅值控制的控制電路比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)中應(yīng)用最多，下面只討論幅值控制法。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)圖5-21所示的為幅值控制的一種接線圖，從圖中看出，兩相繞組接于同一單相電源，適當(dāng)選擇電容C，使Uf與Uk相角差90°，改變電阻R的大小，即改変控制電壓Uk的大小，可以得到圖5-17所示的不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線。由圖可見(jiàn)，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓也對(duì)應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。由此看出，何服電動(dòng)機(jī)的性能，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性都有相應(yīng)的要求，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)該注意。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)2.直流伺服電動(dòng)機(jī)（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)原理及類型特點(diǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。所不同的是直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞電流很小，換向并不困難，因此都不用裝換向磁極。并且，為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。按勵(lì)磁方式之不同可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式又分為他勵(lì)式、并勵(lì)式和串勵(lì)式，但一般多用他勵(lì)式。永磁式的磁場(chǎng)由永久磁鐵產(chǎn)生圖5-22（a）所示的為電磁式，圖5-22（b）所示的為永磁式。5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)除傳統(tǒng)式外，還有低慣量式直流何服電動(dòng)機(jī)，它有無(wú)槽、杯形、圓盤、無(wú)刷電樞幾種，它們的特點(diǎn)如表5-1所示。名

稱勵(lì)磁方式產(chǎn)品型號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)性能特點(diǎn)一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)電磁或永磁SZ或SY

與普通直流電動(dòng)機(jī)相同，但電樞鐵芯長(zhǎng)度與直徑之比大一些，氣隙較小

具有下垂的機(jī)械特性和線性的調(diào)節(jié)特性，對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)快無(wú)槽電樞直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)電磁或永磁SWC

電樞鐵芯為光滑圓柱體，電樞繞組用環(huán)氧樹(shù)脂粘在電樞鐵芯表面，氣隙較大

具有一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，換向良好空心杯形電樞直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SYK

電樞繞組用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成杯形，置于內(nèi)、外定子之間，內(nèi)、外定子分別用軟磁材料和永磁材料做成

除具有一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)外，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)，低速運(yùn)行平穩(wěn)，換向好印刷繞組直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SN

在圓盤形絕緣薄板上印制裸露的繞組構(gòu)成電樞，磁極軸向安裝

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，低速運(yùn)行性能好無(wú)刷直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SW

由晶體管開(kāi)關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器，轉(zhuǎn)子用永磁鐵做成，電樞繞組在定子上且做成多相式

既保持了一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了換向器和電刷帶來(lái)的缺點(diǎn)。另外，其壽命長(zhǎng)，噪聲低5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制及特性電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)同。他勵(lì)式直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性公式相同，即：

5.2.2伺服電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)如圖5-23所示的為直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線。從圖中可以看出，機(jī)械特性是一組平行的直線，理想空載轉(zhuǎn)速與控制電壓成正比，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）也是與控制電壓成正比，機(jī)械特性是下垂的直線，故啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也是最大轉(zhuǎn)矩。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通Φ不變時(shí)，如果升高電樞電壓Uc，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就上升，反之，轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)Uc＝0時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因此無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五5.2.3伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用1.直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)的比較（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造麻煩，維護(hù)困難；換向器還能引起無(wú)線電千擾。而交流何服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，推護(hù)方便。故在確定系統(tǒng)中優(yōu)先考慮。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)就機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性相比，前者的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械特性較硬；（3）直流伺服電動(dòng)機(jī)特性曲線線性度好，而交流伺服電動(dòng)機(jī)后者特性曲線為非線性的，這將影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械特性的非線性度越大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度越低。（4）交流伺服電動(dòng)機(jī)中負(fù)序磁場(chǎng)的存在會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得電動(dòng)機(jī)的損耗增大，電磁轉(zhuǎn)矩減小。當(dāng)輸出功率相同時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的體積大，質(zhì)量重，效率低。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率約為0.1～100W，電源頻率有50Hz、400Hz等。而對(duì)于功率較大的控制系統(tǒng)則采用直流伺服電動(dòng)機(jī)，其輸出功率約為1～600W，也有的可達(dá)數(shù)千瓦。5.2.3伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前面介紹了交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)和杯形轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)原理相同。杯形轉(zhuǎn)子的伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，慣性小，啟動(dòng)電壓低，對(duì)信號(hào)反應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，多應(yīng)用于運(yùn)行平滑的系統(tǒng)中；但目前用得最多的還是鼠籠轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)，多應(yīng)用于小功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。根據(jù)交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理可知，交流伺服電動(dòng)機(jī)可以方便地利用控制電壓Uk來(lái)進(jìn)行啟、停和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制。它是控制系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)當(dāng)中。例如雷達(dá)系統(tǒng)中掃描天線的旋轉(zhuǎn)，流量和溫度控制中閥門的開(kāi)啟，數(shù)控機(jī)床中刀具運(yùn)動(dòng)，甚至連船舶的方向舵與飛機(jī)駕駛盤的控制都是用何服電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)的。圖5-24所示的為交流伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用方框圖。5.2.3伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用3.直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前面我們介紹了直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式又分為他勵(lì)式、并勵(lì)式和串勵(lì)式（一般多用他勵(lì)式）；永磁式采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)。低慣量式直流何服電動(dòng)機(jī)又分無(wú)槽、杯形、圓盤、無(wú)刷電樞幾種，它們的應(yīng)用如表5-2所示。名

稱勵(lì)磁方式產(chǎn)品型號(hào)適用范圍一般直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)電磁或永磁SZ或SY

一般直流伺服系統(tǒng)無(wú)槽電樞直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)電磁或永磁SWC

需要快速動(dòng)作，功率較大的直流伺服系統(tǒng)空心杯形電樞直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SYK

需要快速動(dòng)作的直流伺服系統(tǒng)印刷繞組直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SN

低速和啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁的控制系統(tǒng)無(wú)刷直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)永磁SW

要求噪聲低、對(duì)無(wú)線電不產(chǎn)生干擾的控制系統(tǒng)5.2.3伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用4.伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域總的說(shuō)來(lái)，伺服電機(jī)應(yīng)用廣泛，如ATM機(jī)、噴繪機(jī)、刻字機(jī)、噴涂設(shè)備、醫(yī)療儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)、精密儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域，具體應(yīng)用如表加工機(jī)械工廠自動(dòng)化醫(yī)療機(jī)械機(jī)器人自動(dòng)組裝機(jī)半導(dǎo)體制造部件組裝紡織機(jī)械銑床車床磨床數(shù)控機(jī)床食品加工食品包裝自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)機(jī)械印刷機(jī)械成型機(jī)CT設(shè)備人造器官弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人噴涂機(jī)器人繞線機(jī)生產(chǎn)線晶片機(jī)械清洗設(shè)備化學(xué)氣相沉積設(shè)備芯片安裝插裝機(jī)焊接機(jī)編織機(jī)紡織設(shè)備伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.4伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)自從德國(guó)Rexroth公司在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上正式推出MAC永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志著新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品，整個(gè)伺服裝置市場(chǎng)都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求；近年來(lái)隨著微處理器、新型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)行。到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，控制驅(qū)動(dòng)器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)是輸出值迅速跟蹤指令值的變化。應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)伺服系統(tǒng)的具體要求也會(huì)有所差異，但是大體要求是基本一致的，具體來(lái)說(shuō)，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，對(duì)交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面。5.2.4伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)（1）定位精度控制系統(tǒng)最終定位點(diǎn)與指定目標(biāo)值之前的靜態(tài)誤差即為定位精度，定位精度是評(píng)價(jià)位置伺服系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)自帶碼盤、性能優(yōu)異的交流伺服系統(tǒng)而言，應(yīng)當(dāng)滿足±1個(gè)脈沖的定位精度要求。（2）重復(fù)定位精度這是伺服電機(jī)多次移動(dòng)到同一位置時(shí)的能力，通常以毫米或微米表示。它測(cè)量了伺服電機(jī)在不同時(shí)刻返回相同位置的一致性。（3）調(diào)速范圍即電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用D表示。

5.2.4伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)（4）調(diào)速靜態(tài)特性對(duì)絕大多數(shù)負(fù)載來(lái)說(shuō)，機(jī)械特性越硬，負(fù)載變化時(shí)速度瞬態(tài)變化越小，工作越穩(wěn)定，所以希望機(jī)械特性越硬越好。（5）調(diào)速動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性，即速度變化的暫態(tài)特征，主要包括三個(gè)方面：一是升速和降速過(guò)程是否快捷、靈敏且無(wú)超調(diào)。這就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小，轉(zhuǎn)矩慣量比大，單位體積有較大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。二是當(dāng)負(fù)載突然增大或者減小時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能否有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，迅速恢復(fù)。三是系統(tǒng)低速時(shí)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)大小。（6）效率及經(jīng)濟(jì)性調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性、伺服系統(tǒng)的運(yùn)行效率、系統(tǒng)的故障率等也是高性能交流伺服系統(tǒng)常用的性能指標(biāo)。5.2.5交流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能比較交流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能相比，有以下幾個(gè)方面的不同。（1）控制精度不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度與步距角密切相關(guān)。兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為1.8°，三相混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，可以用細(xì)分控制來(lái)實(shí)現(xiàn)步距角為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度由電動(dòng)機(jī)后端的編碼器保證。如對(duì)帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用4倍頻技術(shù)，則其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°；對(duì)于帶17位編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.00274658°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1/655。相對(duì)來(lái)說(shuō)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度更高。（2）低頻特性不同兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象；交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。5.2.5交流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能比較（3）矩頻特性不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高速會(huì)急劇下降；交流伺服電動(dòng)機(jī)為恒力矩輸出，即在額定轉(zhuǎn)速（如3000轉(zhuǎn)/分鐘）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。（4）過(guò)載能力不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般不具有過(guò)載能力，而交流伺服電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的過(guò)載能力，一般最大轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。正是因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，這樣一來(lái)，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。（5）運(yùn)行性能不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般采用開(kāi)環(huán)控制方式，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大，易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；停止時(shí)如轉(zhuǎn)速過(guò)高，易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度，應(yīng)處理好啟動(dòng)和停止時(shí)的升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步或過(guò)沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。5.2.5交流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能比較（6）速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度（一般為幾百轉(zhuǎn)/分鐘）需要0.2～0.4秒；交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到工作速度（如3000轉(zhuǎn)/分鐘），一般僅需幾毫秒，因此，伺服電動(dòng)機(jī)適用于快速啟動(dòng)的控制場(chǎng)合。（7）效率指標(biāo)不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率比較低，一般60%以下；交流伺服電動(dòng)機(jī)的效率比較高，一般80%以上，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)浪費(fèi)的能量都轉(zhuǎn)化成了熱量，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的溫升就比交流伺服電動(dòng)機(jī)的高很多。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型交流伺服電動(dòng)機(jī)一般為永磁同步伺服電機(jī)采用高性能優(yōu)質(zhì)稀土永磁材料、優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)、高精度傳感器（如光電編碼器）具有運(yùn)行平穩(wěn)、低速性能好、控制精度高、響應(yīng)速度快、過(guò)載能力強(qiáng)、電磁噪音低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)非常適用于高精度數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給控制，以及自動(dòng)化生產(chǎn)線、專用設(shè)備等工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型1、伺服電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)以某型號(hào)交流伺服電機(jī)舉例：110

SJT

-B-M

040

30

①②③④⑤⑥其中：①電機(jī)機(jī)座號(hào)；②交流伺服同步電機(jī)；③有：電機(jī)帶鍵槽，無(wú)：電機(jī)不帶鍵槽；④光電編碼器反饋；⑤電機(jī)零速轉(zhuǎn)矩：數(shù)值×0.1Nm；⑥額定轉(zhuǎn)速：數(shù)值×100rpm。不同廠家，不同品牌的交流伺服電機(jī)銘牌描述方式有一定的差異，主要包括電機(jī)型號(hào)、電壓規(guī)格、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等。其中電機(jī)型號(hào)一般包含電機(jī)類型，額定功率，反饋方式等信息。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型某公司110系列電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表型號(hào)110SJT-M04030110SJT-M06025額定功率（KW）11.21.5輸入電壓（V）AC220三相AC220三相零速轉(zhuǎn)矩（N·m）46額定電流（A）57額定轉(zhuǎn)矩（N·m）46最大轉(zhuǎn)矩（N·m）1218額定轉(zhuǎn)速（rpm）25002500最高轉(zhuǎn)速（rpm）33003000轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）0.66×10-31.0×10-3重量（kg）6.28.0編碼器線數(shù)131072線/5000線具體數(shù)據(jù)也可查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)獲得詳細(xì)信息，如前述舉例的某公司110系列電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)可查表5-4獲得。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型2、伺服電機(jī)的選型伺服系統(tǒng)的動(dòng)力選用是在一般機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其目的是確定伺服電機(jī)的型號(hào)以及電機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)相互匹配。本項(xiàng)目的沖壓機(jī)床進(jìn)給部分要求負(fù)載速度vL≥15m/min，重復(fù)定位次數(shù)n≥40次/min，定位精度高于0.01mm，采用X軸、Y軸十字滑臺(tái)進(jìn)給方式，滾珠絲杠螺距為5mm。要求由PLC控制，有工作狀態(tài)指示，完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分析可知，系統(tǒng)對(duì)位置精度、重復(fù)定位精度、移動(dòng)速度、控制偏差等都有較高的要求因此，需要選用閉環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。首先要通過(guò)計(jì)算分析，進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)的選型。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型設(shè)備的參數(shù)如表5-5所示。項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值絲杠長(zhǎng)度lB=800mm平臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量80kg負(fù)載速度vL=15m/min聯(lián)軸器質(zhì)量mc=0.3kg聯(lián)軸器的外徑Dc=30mm進(jìn)給次數(shù)n=40次/min滾珠絲杠直徑dB=16mm進(jìn)給長(zhǎng)度l=250mm滾珠絲杠導(dǎo)程PB=5mm進(jìn)給時(shí)間tm=1.2s以下滾珠絲杠材質(zhì)密度ρ=7.87*103kg/m3電氣停止精度δ≤±0.01mm機(jī)械效率η=0.9摩擦系數(shù)μ=0.2伺服電動(dòng)機(jī)的選型可以遵循以下原則：扭矩，速度到達(dá)系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。①電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速。②電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。負(fù)載慣量=電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量×適合的慣量比。③連續(xù)負(fù)載工作扭力≤電機(jī)額定扭力。一般留有20%的余量。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型設(shè)備的參數(shù)如表5-5所示。項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值絲杠長(zhǎng)度lB=800mm平臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量80kg負(fù)載速度vL=15m/min聯(lián)軸器質(zhì)量mc=0.3kg聯(lián)軸器的外徑Dc=30mm進(jìn)給次數(shù)n=40次/min滾珠絲杠直徑dB=16mm進(jìn)給長(zhǎng)度l=250mm滾珠絲杠導(dǎo)程PB=5mm進(jìn)給時(shí)間tm=1.2s以下滾珠絲杠材質(zhì)密度ρ=7.87*103kg/m3電氣停止精度δ≤±0.01mm機(jī)械效率η=0.9摩擦系數(shù)μ=0.2④電機(jī)最大輸出扭力＞系統(tǒng)所需最大扭力（加速時(shí)扭力）。一般留有20%的余量。⑤編碼器的分辨率。編碼器的分辨率要滿足系統(tǒng)的規(guī)格要求；⑥環(huán)境要求。環(huán)境溫度、濕度、氣壓及振動(dòng)沖擊等，要滿足商品的規(guī)格要求。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型3、伺服電機(jī)的選型計(jì)算選型計(jì)算遵循如圖5-26所示步驟。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速確定①運(yùn)動(dòng)曲線及速度伺服電動(dòng)機(jī)按圖5-27所示的速度線圖運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)周期，即每次運(yùn)動(dòng)時(shí)間：t=60/n=60/40=1.5（s）；假設(shè)脈沖指令加速和減速的時(shí)間：ta=td；脈沖停止到運(yùn)行實(shí)際速度停止時(shí)間差：ts=0.1（s）；假設(shè)運(yùn)動(dòng)部件返回行程所用時(shí)間為工作行程的1/4，則有：工作行程時(shí)間tm=1.2（s）；工作行程脈沖指令勻速控制時(shí)間：tc=60*l/vL=60*0.25/15=1.0（s）；5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型②旋轉(zhuǎn)速度確定負(fù)載軸的旋轉(zhuǎn)速度nL：電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度nm：由于聯(lián)軸器直接連接，減速比為i=nm/nL=1/1，所以：r/minr/min5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型（2）轉(zhuǎn)矩確定轉(zhuǎn)矩選擇的依據(jù)是電動(dòng)機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。直接啟動(dòng)時(shí)（一般由低速）兩種負(fù)載均要考慮，加速啟動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行只要考慮摩擦負(fù)載。負(fù)載（摩擦）轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：（Nm）5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型（3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算①滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL1為：②滾珠絲杠和聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JB、JC：因?yàn)閳A柱繞軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型③電動(dòng)機(jī)軸換算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（4）功率計(jì)算①負(fù)載行走功率P0②負(fù)載加速功率Pa因?yàn)椋篜=Tω，所以：（W）5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型②負(fù)載加速功率Pa（W）（5）預(yù)選伺服電動(dòng)機(jī)①選定條件a.TL≤電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩b.(P0+Pa)/2<預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率<(P0+Pa)c.nm≤電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速d.JL≤允許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)伺服條件，可以暫定S-1FL6-01A伺服電動(dòng)機(jī)。負(fù)載行走功率P0負(fù)載加速功率Pa負(fù)載轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度nm電動(dòng)機(jī)軸換算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型②根據(jù)選擇的伺服電動(dòng)機(jī)，列出如下主要參數(shù)。額定輸出：100(W)額定轉(zhuǎn)速：3000(min/min)額定轉(zhuǎn)矩：0.32(N·m)瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩：1.11(N·m)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM：0.0665×10-4(kg·m2)容許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.0665×10-4×20＝1.33×10-4(kg·m2)編碼器分辨率：20bit(1048576P/rev)選定條件a.TL≤電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩b.(P0+Pa)/2<預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率<(P0+Pa)c.nm≤電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速d.JL≤允許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)伺服條件，可以暫定S-1FL6-01A伺服電動(dòng)機(jī)。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型（6）預(yù)選伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的確認(rèn)①根據(jù)公式5-8可得加速所需要轉(zhuǎn)矩TP：(Nm)加速所需要轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩，所選電動(dòng)機(jī)可用；②減速所需要轉(zhuǎn)矩TS：(Nm)減速所需要轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩，所選電動(dòng)機(jī)可用；5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型③有效轉(zhuǎn)矩Trms：當(dāng)工作機(jī)械作頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)，必須檢查電機(jī)是否過(guò)熱，為此需計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值(有效轉(zhuǎn)矩Trms)，并且應(yīng)使此均方根值小于電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。計(jì)算公式為：TP加速轉(zhuǎn)矩，TL摩擦轉(zhuǎn)矩（一般為勻速負(fù)載）TS減速轉(zhuǎn)矩；ta、tc、td為各個(gè)轉(zhuǎn)矩的時(shí)間t為一個(gè)周期的時(shí)間。=0.16<0.32(Nm)所需有效轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，所選電動(dòng)機(jī)可用。根據(jù)上述步驟預(yù)選的伺服電機(jī)在容量上符合使用條件。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型（7）位置精度控制確認(rèn)①PG反饋脈沖的分頻比——電子齒輪k=(B/A)的設(shè)定電子齒輪是常用的伺服控制參數(shù)，對(duì)伺服接收到的上位機(jī)脈沖頻率進(jìn)行放大或者縮小。其中一個(gè)參數(shù)為分子B，為電機(jī)編碼器的分辨率；一個(gè)為分母A，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。如果分子大于分母就是放大，如果分子小于分母就是縮小。已知編碼器分辨率為20位，則每轉(zhuǎn)反饋脈沖數(shù)為220，即：1048576P/rev。根據(jù)電氣停止精度δ=±0.01mm，將位置檢測(cè)單位設(shè)為Δl=0.01mm/pulse（毫米/脈沖），則絲杠轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)為PB/Δl，引入電子齒輪k=(B/A)，所以有：5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型②指令脈沖頻率（pulse/s）已知：負(fù)載速度vL=15m/min位置檢測(cè)單位

為Δl=0.01mm/pulse③偏差計(jì)數(shù)器滯留脈沖在保證位置環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，位置不超差(過(guò)沖）的前提下，增大位置環(huán)的增益，以減小位置滯后量。伺服單元位置環(huán)的響應(yīng)性由位置環(huán)增益決定。位置環(huán)增益的設(shè)定越高，則響應(yīng)性越高，定位時(shí)間越短。一般來(lái)說(shuō)，不能將位置環(huán)增益提高到超出機(jī)械系統(tǒng)固有振動(dòng)數(shù)的范圍。將位置環(huán)增益設(shè)為KP=500(1/s)，則：(pulse)5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型④電氣停止精度δ‘比較電氣停止設(shè)計(jì)精度δ=±0.01mm，滿足定位精度要求。（mm），負(fù)載軸的旋轉(zhuǎn)速度nL：電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度nm：通過(guò)上述步驟，在位置控制方面，預(yù)選的伺服電機(jī)可供使用。5.2.6伺服電機(jī)的銘牌分析與選型4.伺服電機(jī)的使用在使用交流伺服電機(jī)時(shí)要注意以下幾個(gè)方面的安全措施：（1）伺服電機(jī)內(nèi)安裝有光電編碼器，安裝時(shí)嚴(yán)禁敲打電機(jī)；用戶不得擅自拆裝光電編碼器，否則有可能破壞光電編碼器導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。（2）電機(jī)從速度為0到最高速空載運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)無(wú)異常噪音和震動(dòng)，方可投入負(fù)載運(yùn)行。（3）電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，切勿觸摸運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)軸以及電機(jī)外殼。（4）只有專業(yè)人員才能調(diào)整、維護(hù)電機(jī)。（5）確保電機(jī)保護(hù)接地牢固可靠。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型1、交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器原理交流伺服電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等，5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型功率驅(qū)動(dòng)單元電路以智能功率模塊（IPM）為核心，具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)整流電路對(duì)輸入的交流電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電；再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。

5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型2、交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制模式交流伺服驅(qū)動(dòng)器通常有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種控制模式。（1）位置控制模式。一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以它是一個(gè)三閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩個(gè)內(nèi)環(huán)分別是電流環(huán)和速度環(huán)。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。在足夠高的增益下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差接近為零。這就是說(shuō)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，伺服電機(jī)以指令脈沖和反饋脈沖近似相等時(shí)的速度運(yùn)行。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型（2）速度控制模式。通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率進(jìn)行電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。（3）轉(zhuǎn)矩控制模式。是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。主要用在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中。如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改，以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型3、位置控制模式下電子齒輪的概念等效單閉環(huán)位置控制系統(tǒng)方框圖指令脈沖和反饋脈沖的關(guān)系：式中：CMR為指令倍乘比（指令脈沖電子齒輪），DMR為檢測(cè)倍乘比（反饋脈沖電子齒輪）。指令脈沖信號(hào)和電機(jī)編碼器反饋脈沖信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器后，均通過(guò)電子齒輪變換才進(jìn)行偏差計(jì)算。電子齒輪實(shí)際是一個(gè)分-倍頻器，合理搭配它們的分-倍頻值，可以靈活地設(shè)置指令脈沖的行程。驅(qū)動(dòng)器反饋脈沖電子齒輪分-倍頻值為4倍頻，電機(jī)編碼器反饋脈沖為2500pulse/rev，則驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為10000。PLC每輸出10000個(gè)脈沖，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型4、伺服驅(qū)動(dòng)器的選型（1）選型原則①電機(jī)類型。根據(jù)直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，如果是交流伺服電動(dòng)機(jī)，首先要確定是220V交流伺服電動(dòng)機(jī)，還是380V三相交流伺服電動(dòng)機(jī)。②電機(jī)額定電壓。驅(qū)動(dòng)器要配套電動(dòng)機(jī)額定電壓。電機(jī)額定電壓通常在電機(jī)銘牌或數(shù)據(jù)手冊(cè)上可找到。常見(jiàn)的電機(jī)額定電壓有6V、12V、24V、36V、48V、60V、110V、220V、380V等。③電機(jī)額定電流或功率。電機(jī)運(yùn)行的電流要小于等于驅(qū)動(dòng)器額定電流。大功率驅(qū)動(dòng)器可以帶小功率電動(dòng)機(jī)，但是浪費(fèi)了。電機(jī)硬啟動(dòng)的啟動(dòng)電流約等于電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流。堵轉(zhuǎn)電流通常為額定電流的3~5倍。如額定電流2A的電機(jī)，堵轉(zhuǎn)電流可能在6A以上，超過(guò)了就可能燒毀驅(qū)動(dòng)板。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型④控制方式。根據(jù)需求選用脈沖控制的或通信接口控制的驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器常采用的通信接口包括CAN總線、Modbus、RS232/485、以太網(wǎng)等，需要根據(jù)實(shí)際通信需求選擇合適的通信接口和伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)。⑤控制精度。控制精度是伺服驅(qū)動(dòng)器的重要性能指標(biāo)之一，一般是以位置或速度為單位來(lái)衡量的。需要根據(jù)控制精度的要求選擇合適的伺服驅(qū)動(dòng)器，注意不要過(guò)度選擇，以避免造成資源浪費(fèi)。⑥售后服務(wù)與維護(hù)。伺服驅(qū)動(dòng)器的售后服務(wù)是選型時(shí)需要考慮的重要因素，需要考慮供應(yīng)商提供的保修、技術(shù)支持和維修等服務(wù)，以確保在使用過(guò)程中的順利和可靠性。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型（2）確定伺服驅(qū)動(dòng)器本項(xiàng)目采用PLC脈沖控制模式，根據(jù)功率、電壓等選用原則選擇驅(qū)動(dòng)器如表5-6所示。選擇驅(qū)動(dòng)器為東元AC伺服驅(qū)動(dòng)器。型號(hào)為TSTA15C，TSTA為東元伺服TSTA系列；15為驅(qū)動(dòng)器種類，最大輸出功率400W；C為驅(qū)動(dòng)器輸入電壓，表示單/三相共用220VAC電壓。根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)額定功率等參數(shù)，選擇的具體型號(hào)為：額定功率為0.1kW，電源電壓為單/三相共用220-240VAC電壓，訂貨號(hào)為6SL3210**-1U。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型5、伺服驅(qū)動(dòng)器的接線R、S電源輸入接口。AC220V電源連接到R、S主電源端子，同時(shí)連接到控制電源端子L、N上。

P、PC端口，外置再生放電電阻器接口。U、V、W端子用于連接電機(jī)。

5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型CN2接口：連接到電機(jī)編碼器信號(hào)接口，連接電纜應(yīng)選用帶有屏蔽層的雙絞電纜，屏蔽層應(yīng)接到電機(jī)側(cè)的接地端子上，并且應(yīng)確保將編碼器電纜屏蔽層連接到插頭的外殼FG上。

5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型CN1控制信號(hào)端口，PLC可以通過(guò)高速口發(fā)脈沖，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。其部分引腳信號(hào)定義與選擇的控制模式有關(guān)，不同模式下的接線請(qǐng)參考TSTA系列伺服驅(qū)動(dòng)器手冊(cè)。CN3通信端口，用于工業(yè)總線或者工業(yè)以太網(wǎng)的連接，可以把設(shè)備接到電腦上或連接到網(wǎng)絡(luò)上。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型接線注意事項(xiàng)：（1）電機(jī)輸出端(端子U、V、W)要正確的連接。否則伺服電機(jī)動(dòng)作會(huì)不正常。交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不象感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)交換三相相序來(lái)改變。隔離線必須連接在FG端子上。（2）接地請(qǐng)使用第3種接地(接地電阻值為100Ω以下)，而且必須單點(diǎn)接地。若希望電機(jī)與機(jī)械之間為絕緣狀態(tài)時(shí)，請(qǐng)將電機(jī)接地。（3）伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出端不要加裝電容器，或過(guò)壓（突波）吸收器及噪聲濾波器。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型（4）裝在控制輸出信號(hào)的繼電器，其過(guò)壓（突波）吸收用的二極管的方向要連接正確，否則會(huì)造成故障無(wú)法輸出信號(hào)，也可能影響緊急停止的保護(hù)回路不產(chǎn)生作用。（5）電機(jī)接線：U：紅；V：白；W：黑。機(jī)械剎車控制線：細(xì)紅DC+24V；細(xì)黃0V。5.2.7伺服驅(qū)動(dòng)器的選型（6）為了防止噪聲造成的錯(cuò)誤動(dòng)作，請(qǐng)采下列的處置：①請(qǐng)?jiān)陔娫瓷霞尤虢^緣變壓器及噪聲濾波器等裝置。②請(qǐng)將動(dòng)力線（電源線、電機(jī)線等的強(qiáng)電回路）與信號(hào)線相距30公分以上來(lái)配線，不要放置在同一配線管內(nèi)。③為防止不正確的動(dòng)作，應(yīng)設(shè)置“急停開(kāi)關(guān)”以確保安全。④在伺服電機(jī)連接線及編碼器連接線的極性方面要特別注意。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.8其他元器件的選型1、中間繼電器的選擇控制交流伺服電機(jī)接觸器通斷的中間繼電器，其額定電流較小，線圈電壓為24V，可以選用普通型JZ8-ZP直流中間繼電器，常開(kāi)常閉觸點(diǎn)各有4對(duì)，額定電流為5A，線圈電壓為24V。5.2.8其他元器件的選型1、中間繼電器的選擇圖5-5PLC輸出控制電路原理圖用于PLC急?？刂频闹虚g繼電器，其額定電流很小，線圈電壓為24V，選用普通型JZ8-ZP直流中間繼電器，常開(kāi)常閉觸點(diǎn)各有4對(duì)，額定電流為5A，線圈電壓為24V。5.2.8其他元器件的選型2、接觸器的選擇根據(jù)接觸器所控制負(fù)載回路的電壓、電流及所需觸點(diǎn)的數(shù)量來(lái)選擇接觸器。本項(xiàng)目用來(lái)控制交流伺服電機(jī)（伺服驅(qū)動(dòng)器）得電，伺服電動(dòng)機(jī)額定功率100W，額定電流1.1A，堵轉(zhuǎn)電流電流為3-5倍額定值，約3.3至5.5A。所以接觸器電流選為10A，選擇CJ10-10型接觸器，主觸點(diǎn)電流10A，線圈電壓為220V。5.2.8其他元器件的選型3、按鈕的選擇上電按鈕選擇LA18型按鈕，顏色為綠色；斷電按鈕選擇型按鈕，顏色為紅色；交流伺服電機(jī)接通按鈕，正反向移動(dòng)按鈕選擇LA18型按鈕，顏色為綠色；交流伺服電機(jī)斷開(kāi)按鈕選擇LA18型按鈕，顏色為紅色。M1-SA1、M1-SA2為通斷鑰匙開(kāi)關(guān)，24V電壓規(guī)格。M-SB1為急停按鈕。5.2.8其他元器件的選型4、開(kāi)關(guān)電源的選擇電源部分的功能是把380VAC電源變?yōu)?20VAC和24VADC等控制用電短路、過(guò)載、過(guò)熱、欠壓等保護(hù)。包括斷路器、熔斷器、變壓器和開(kāi)關(guān)電源等元器件。在本項(xiàng)目中，開(kāi)關(guān)電源主要為PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器控制端和中間繼電器等供電。計(jì)算選型過(guò)程參見(jiàn)交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)部分。5.2.8其他元器件的選型5、指示燈的選擇指示燈選用發(fā)光二極管，額定電壓24V，綠色、黃色、紅色各一個(gè)，分別表示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)和報(bào)警狀態(tài)。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五程序設(shè)計(jì)與調(diào)試035.3.1PLC的I/O地址分配本項(xiàng)目I/O地址分配表分為輸入、輸出兩個(gè)部分其中輸入信號(hào)包括來(lái)自行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕/開(kāi)關(guān)等主令信號(hào)：主要為伺服電動(dòng)機(jī)常開(kāi)接通按鈕、常閉斷開(kāi)按鈕、急停信號(hào)常開(kāi)觸點(diǎn)、伺服電動(dòng)機(jī)正反向移動(dòng)信號(hào)常開(kāi)按鈕和原點(diǎn)、行程開(kāi)關(guān)信號(hào)；輸出信號(hào)包括輸出到步伺服電動(dòng)機(jī)的中間繼電器的控制信號(hào)，輸出到伺服電動(dòng)機(jī)（驅(qū)動(dòng)器）的脈沖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)，以及輸出到反應(yīng)系統(tǒng)工作狀態(tài)的指示燈的信號(hào)。5.3.1PLC的I/O地址分配I/O地址分配表序號(hào)輸入名稱輸入地址序號(hào)輸出名稱輸出地址1X方向正限位I1.01X軸電動(dòng)機(jī)脈沖Q0.02X方向負(fù)限位I1.12X軸電動(dòng)機(jī)方向Q0.13X軸原點(diǎn)I1.23Y軸電動(dòng)機(jī)脈沖Q0.24Y方向正限位I1.34Y軸電動(dòng)機(jī)方向Q0.35Y方向負(fù)限位I1.45進(jìn)給正常燈Q0.46Y軸原點(diǎn)I1.56進(jìn)給故障燈Q0.57X、Y軸電動(dòng)機(jī)上電I2.07進(jìn)給系統(tǒng)上電Q2.08伺服電動(dòng)機(jī)停止I2.18X軸電動(dòng)機(jī)使能Q2.19X、Y軸電動(dòng)機(jī)斷電I2.29Y軸電動(dòng)機(jī)使能Q2.210進(jìn)給系統(tǒng)回原點(diǎn)I2.3

11進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)位I2.4

12進(jìn)給電動(dòng)機(jī)起動(dòng)I2.5

13急停I3.7

5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

為了便于講解，此處給出X軸運(yùn)動(dòng)的編程方法。X、Y軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)編程不再贅述。沖壓機(jī)床X軸的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型如圖5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

1.控制要求①系統(tǒng)上電，按“起動(dòng)”按鈕后，伺服電動(dòng)機(jī)先正轉(zhuǎn)，滑臺(tái)向前移動(dòng)100mm，達(dá)到目標(biāo)位置后再反轉(zhuǎn)，滑臺(tái)向后移動(dòng)50mm。周而復(fù)始伺服電動(dòng)機(jī)一直自動(dòng)運(yùn)行。②當(dāng)向前超出正限位時(shí)，碰到形成開(kāi)關(guān)自動(dòng)停止。③按“復(fù)位”按鈕，再按“回原點(diǎn)”按鈕，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，滑臺(tái)向后返回原點(diǎn)，達(dá)到原點(diǎn)位置后停止。④電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用絕對(duì)位置控制方式。5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

2脈沖計(jì)算例：假設(shè)絲杠的導(dǎo)程P=5mm，伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周編碼器的脈沖個(gè)數(shù)為2000個(gè)，電子齒輪比為1。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，螺母滑臺(tái)行程正向移動(dòng)100mm；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，螺母滑臺(tái)行程負(fù)向移動(dòng)50mm。計(jì)算需要的脈沖個(gè)數(shù)。解：①伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位移和控制脈沖個(gè)數(shù)有如下公式：由于伺服驅(qū)動(dòng)器采用了4倍頻技術(shù)，所以伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，反饋到控制單元的電脈沖個(gè)數(shù)為2000*4=8000個(gè)。②滾珠螺桿轉(zhuǎn)一圈工作平臺(tái)會(huì)移動(dòng)5mm，若想使工作平臺(tái)移動(dòng)100mm，則需要旋轉(zhuǎn)滾珠螺桿100mm/（5mm/rev）=20圈。③而電脈沖為2000pulse/rev*4=8000，即控制器發(fā)送8000個(gè)電脈沖使馬達(dá)轉(zhuǎn)一圈。④因此上位控制器需下達(dá)8000pulse/rev×20rev=160000pulse命令。⑤若想使工作平臺(tái)移動(dòng)50mm，需下達(dá)80000pulse命令5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

3.程序設(shè)計(jì)根據(jù)工藝與動(dòng)作要求，在OB1中輸入如下梯形圖程序。包括6個(gè)程序段，分別為起動(dòng)停止、電機(jī)使能、電機(jī)復(fù)位、電機(jī)回原點(diǎn)、絕對(duì)正向運(yùn)行100mm和絕對(duì)負(fù)向運(yùn)行50mm指令。程序段1：起動(dòng)與停止按“上電”按鈕“I2.0”，“M10.0”置1并保持；按“斷電”按鈕“I2.1”，“M10.0”為0，電機(jī)斷電停止。5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

程序段2：電動(dòng)機(jī)使能5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

程序段3：電動(dòng)機(jī)復(fù)位5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

程序段4：回原點(diǎn)5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

程序段5：正向運(yùn)動(dòng)100mm程序段5：“MC_MoveAbsolute”指令，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)電機(jī)當(dāng)前絕對(duì)位置。Execute-啟動(dòng)命令。脈沖上升沿有效。由“起動(dòng)”鈕“I2.5”，或者“程序段6”的“Done”已結(jié)束標(biāo)志位“M10.1”起動(dòng)。Position-定位操作的相對(duì)于原點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)位置，本例為100mm。Velocity-軸的速度。單位在軟件軸工藝中設(shè)定。Done-目標(biāo)位置已到達(dá)。置標(biāo)志位“M10.0”，同時(shí)作為“程序段6”起動(dòng)位。5.3.2梯形圖設(shè)計(jì)

程序段6：反向運(yùn)動(dòng)100mm程序段6“MC_MoveAbsolute”指令，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)電機(jī)當(dāng)前絕對(duì)位置。Execute-啟動(dòng)命令。脈沖上升沿有效。由“程序段5”的“Done”已結(jié)束標(biāo)志位“M10.0”起動(dòng)。Position-定位操作的相對(duì)于原點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)位置，本例為50mm。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五程序設(shè)計(jì)與調(diào)試035.3.3組態(tài)與程序調(diào)試本項(xiàng)目繼續(xù)采用西門子自動(dòng)化產(chǎn)品SIMATICS7-1200可編程控制器，采用全集成化軟件TIAportal（博途）進(jìn)行編程和調(diào)試。軟件組態(tài)編譯過(guò)程包括：項(xiàng)目創(chuàng)建、硬件組態(tài)、添加工藝對(duì)象-軸、組態(tài)軸、編譯下載、軸調(diào)試等過(guò)程。此處強(qiáng)調(diào)一些關(guān)鍵步驟1.SIMATICS7-1200軟件5.3.3程序調(diào)試與下載2.項(xiàng)目創(chuàng)建、組態(tài)調(diào)試與下載項(xiàng)目創(chuàng)建、組態(tài)與下載過(guò)程與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目相同。在組態(tài)軸，設(shè)置擴(kuò)展參數(shù)，機(jī)械，脈沖設(shè)置有所不同。如圖5.3.3程序調(diào)試與下載軸調(diào)試的時(shí)候，點(diǎn)擊工藝對(duì)象的軸診斷，選擇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選項(xiàng)，會(huì)見(jiàn)如圖5-35所示。5.3.3程序調(diào)試與下載因?yàn)楸卷?xiàng)目選擇絕對(duì)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)形式。所以第一步必須回原點(diǎn)。操作方法為：程序監(jiān)控界面的電機(jī)上電、電機(jī)回原點(diǎn)。如圖5-36所示。然后再按啟動(dòng)，進(jìn)行程序調(diào)試。伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試五程序設(shè)計(jì)與調(diào)試035.3.4伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置方式操作說(shuō)明東元TSTA系列伺服驅(qū)動(dòng)器5.3.4伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置1.參數(shù)設(shè)置面板說(shuō)明

TSTA15C伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)包括十種，其中最常用的有基本控制參數(shù)Cn、Pn，轉(zhuǎn)矩設(shè)置參數(shù)Tn，速度設(shè)置參數(shù)Sn，狀態(tài)顯示參數(shù)Un，診斷功能參數(shù)dn等。但只要設(shè)置一些