伺服电机原理与注塑机应用.ppt
,交流永磁同步电机/伺服原理 注塑机伺服泵原理与应用,2009,华南区东莞办：张志军,大纲,汇川能为注塑机行业贡献些什么？1：注塑机伺服泵驱动器 标准驱动器，用于电液混合系统2：大吨位注塑机自动门控制器 采用直驱永磁同步电机内置编码器，实现低速大力矩，省去异步电机的减速机。用于大吨位门3：电溶胶马达及驱动器 用于注塑机螺杆直接驱动，实现溶胶与其他动作的同 时动作,大纲,一：交流永磁同步/伺服电机原理和结构二：交流永磁同步/伺服电机的驱动技术三：交流永磁同步/伺服电机在注塑机上的应用四：交流永磁同步/伺服电机应用中的注意事项,一：交流永磁同步电机/伺服电机原理和结构,1：交流永磁同步电机的材料和磁极构造,与电励磁的同步电机不同，永磁同步电机采用高磁能积，高内禀矫顽力的铷铁硼Nd2Fe14B永磁材料制造成特定的形状，在电机的定子或转子形成气隙磁场。在永磁同步电机设计中，通常将转子设计成永磁体，而将定子设计成线圈，则可以免去电刷和滑环装置，提高电机的可维护性和控制性能。永磁电机通常可以组合励磁方式与磁场结构如图一所示意,一：交流永磁同步电机/伺服电机原理的励磁方式,图一：永磁电机的磁极结构与励磁方式,一：交流永磁同步电机/伺服电机原理和结构,1定子绕组等效磁极 2定子铁心 3转子铁心 4转子磁极电机的定子电枢绕组在三相正弦交流电流的作用下之下，在定转子之间的气隙中所产生一个合成的旋转磁场。这个等效的磁场必然和转子的永磁磁场相互作用，就象上图中示意的。如果定子等效磁场不停的连续旋转，转子磁场在“同性相斥、异性相吸”的受力过程中，必然会跟着定子等效磁场一起旋转起来。实际上，一台永磁同步电机的结构不论有多么复杂，都可以用这个物理模型来描述。,2：永磁同步电机的旋转原理,编码器分类,编码器,模拟量编码器,数字编码器,旋转变压器,Sin/Cos 编码器,增量编码器,绝对值编码器,格雷码,二进制码,二：交流永磁同步电机驱动技术-编码器概览,二：交流永磁同步电机驱动技术-OC门开路集电极光电编码器,OC门增量式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度,二：交流永磁同步电机驱动技术-SIN/COS编码器,sin/cos编码器也称为正余弦编码器。该种编码器利用励磁原理，通过给励磁线圈励磁，输出一路SIN信号，一路COS信号，同时也脉冲输出仿真信号。,二：交流永磁同步电机驱动技术-SIN/COS编码器,这种编码器最重要的特征是：由于正余弦信号为模拟量连续信号，因此，理论上可以被无限分割。因此，可以做到很高的精度，关键取决与解码电路与软件处理例如：一个编码器具有1024脉冲的正弦波，一个周期被分割为1024，则此编码器脉冲数为1024*1024.可以达到非常高的精度,二：交流永磁同步电机驱动技术-RESOLVE旋转变压器,旋转变压器编码器，顾名思义，是一个旋转的变压器，通过给原边励磁，可理解为马达的定子，转子则有两副绕组，一副正弦绕组，一副余弦绕组）。所不同的是：定子与转子有匝数比的关系。,二：交流永磁同步电机驱动技术-RESOLVE旋转变压器,通过鉴相（相位角为转子与定子的交角成正比）和鉴幅（电压幅度为定子和转子的交角成正比）方式.,二：交流永磁同步电机驱动技术-RESOLVE旋转变压器,信号引脚：SIN+（sin信号输出）:标准线色：黄SIN-（sin信号输出参考）：标准线色：蓝COS+（cos信号输出）：标准线色：红COS-（cos信号参考）：标准线色:黑R+（电源正）：标准线色：红白R-（电源负）：标准线色：黄白,二：交流永磁同步电机驱动技术-长线UVW编码器,长线型又成为线驱动型，差分输出型。UVW编码器也是一种光电型编码器。除了有ABZ方波脉冲之外还有UVW相带方波.UVW相带和电机的极对数一一对应，这样，当鉴别UVW信号时，可以很容易得到转子与编码器安装的交角,这种编码器除了有分辨率指标之外，还有极对数之分，当选用这种编码器的时候，必须知道所使用的电机的极对数。,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革,同步电机的启动问题同步电机不同于异步电机，是不能实现自启动的（即接入380V电网，不能自行启动）。为什么呢？当同步电机直接接入50HZ的工频电网时，定子线圈产生旋转磁场，其磁场的转速为60f/p.由于是同步电机，此时永磁转子总是企图跟随定子磁场同步旋转，但是由于转子的惯量和负载惯量总是企图阻止转子旋转，因此，高速的定子磁场总是当转子准备要旋转的时候，掠过了转子磁场表面。马达不能启动，而处于交替磁场的变化中，表现出振动现象。因此，同步电机的启动和同步成为人们思考的问题。？,1：主机拖入同步，甩离主机同步运行 简述：用一台原动机，拖动同步电机轴旋转，当接近同步转速时，利用离心开关接通50HZ工频，同步电机开始运行。2：异步启动同步运行 简述：在同步电机的转子上的永磁体内圆，另外铸造一个笼型转子，这样，投入工频电源时，由于异步鼠笼的作用，做异步旋转。当接近同步转速时，被自然牵入同步运行。缺点：有异步附加转矩。,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革,3：变频启动同步运行 简述：采用VF型变频器，利用N=60F/P.用变频从0速慢慢往上提升频率，以便等待转子克服转子惯量和负载惯量。缺点：VF型本意是控制磁通，而同步机并不需要控制磁通，因此，VF仅仅可以调速而已，但没有低频力矩特性4：闭环矢量控制.A:关于自同步与磁极偏角 B:关于速度环与转矩环 C:关于弱磁扩速 D:电枢反应与D轴，Q轴,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革,同步电机在运行中，由于电网电压波动，或者轴负载的变化，会导致轴速有变化。如果没有及时的追踪，可能导致同步电机失步，进入不正常状态。为了解决这个问题，驱动器需要实时检测转子位置状态，当发现偏离一定范围时，通过电流控制，纠正这个磁极位置偏差。这称之为自同步。毫无疑问：驱动器需要知道转子磁极定子某相磁极的初始偏差角。才可以在运转的过程中按照这个初始偏差角进行控制这就是转子与编码器的磁极偏角,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制,A：磁极偏角与自同步,B：速度环与转矩环,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-环路框图,同步机同样具备速度环和转矩环，与异步机不同的是：同步机由于电枢反应磁动势与永磁磁场不正交，并非直接控制控制电枢电流来调节转矩。当变换为DQ坐标系之后，交轴电流Iq相当于转矩电流，而直轴电流Id改变磁阻（即永磁体反向磁场），相当于励磁电流，可以用于弱磁升速,C：弱磁扩速 电机的理想空载转速,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速,而与频率，极对数的关系为：N=60F/P.电机一旦制成，则其额定转速确定。其中，m为极下磁通。Ce1为电势常数。E1为反电势。从公式中可以看出，如果想提高电机转速，则必须减弱磁场。在异步电机中，我们可以用降低励磁电流的方式，达到弱磁目的。因此在异步电机弱磁升速到额定转速以上时，定子电流是减小的。而在同步电机中，由于磁场是有永磁体所产生的，并不需要励磁电流，永磁体磁场是不可以控制的。因此，弱磁比异步机复杂。必须采用与永磁体磁极方向相反的电流，削弱永磁磁场来达到目的。在前一节中，我们提到了直轴电流，这个直轴电流产生的磁场就可以用来削弱永磁体磁场。因此，在同步电机中，弱磁升速到额定转速以上时，定子电流是增加的,C：弱磁扩速与母线电压(驱动器输出电压)的关系。在恒转矩控制过程中，随着电机转速的升高，电枢绕组的反电势增大。当增大到逆变器最高输出电压时（即电机的极限电压），电机转速到达恒转矩控制时的最高转速，这个转速定义为电机的转折速度。当速度增加到转折速度时，要继续增加转速就必须采用弱磁控制，是磁场得以减弱，才能保持反电势和电压的平衡。因此：对于额定电压低于驱动器输出电压的电机而言，是可以自然弱 磁的，并不需要特别的手段。弱磁点通常就是额定转速时的频率 确定一台永磁电机的实际弱磁点的方法：将电机运行在额定频率，查看驱动器输出电压是否到达电机额定电压，以及电流是否接近0A.从这个频率点开始向上增加频率，电流逐渐增大的这个点，就是弱磁频 率点,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速,D:电枢反应与D轴，Q轴 对称负载时，电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反应。当电枢绕组中没有电流通过时，由磁极所形成的磁场称为主磁场，近似按正弦规律分布。当电枢绕组中有电流通过时，绕组本身产生一个磁场，称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的作用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应;,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速,D:电枢反应与D轴，Q轴 合成磁势分解为两个方向的作用，一个垂直与主磁极，称之为交轴（Q轴）反应，可以对负载轴产生 电磁转矩，相当与异步电机的转矩电流。一个平行于主磁极，称之为直轴（D轴）反应，可以对主磁极去磁 或助磁，相当于异步机的励磁电流。通常用于弱磁升速 因此，D轴，Q轴都需要有电流环。这在IS300的伺服驱动器中可以得到体现。,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速,基于以上认识，我们得到一下结论：1：如果电机制造商的编码器角度不一致，则驱动器侧无法统一参数；2：如果电机制造上的电机参数，D,Q电感，定子电阻，反电势等参数 不具备一致性，则驱动器无法统一参数；故：如果想获得简便的参数调试，则需要电机厂统一以上相关的电机参数,二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速,三：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-工艺过程,1、锁合模：动模扳快速接近定模扳（包括慢-快-慢速），且确认无异物存在下，系统转为高压，将模板锁合（保持油缸内压力）。2、射台前移到位：射台前进到指定位置（喷嘴与模具紧贴）。3、注射：可设定螺杆以多段速度、压力和行程，将料筒前端的溶料注入模腔。4、冷却和保压：按设定多种压力和时间段，保持料筒的压力，同时模腔冷却成型。5、冷却和预塑(储料）：模腔内制品继续冷却，同时液力马达驱动螺杆旋转将塑料粒子前推，螺杆在设定的背压控制下后退，当螺杆后退到预定位置，螺杆停止旋转，注射油缸按设定松退，预料结束。6、射台后退：预塑结束后，射台后退到指定位置。7、开模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速）8、顶出：顶针顶出制品。,三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用压力流量的共性问题,1、锁合模：假定需要P1,Q1 2、射台前移到位：假定需要P2,Q2 3、注射:假定需要P3,Q3 4、冷却和保压：假定需要P4,Q4 5、冷却和预塑(储料）假定需要P5,Q5 6、射台后退：假定需要P6,Q6 7、开模：假定需要P7,Q7 8、顶出：假定需要P8,Q8,共性问题：在每个阶段，均有两个指标需要控制：流量Q和压力P。而在电机侧，应当如何控制Q和P呢？,设想1：速度N控制流量,转矩T控制压力？实践：油泵的流量Q正比于转速N.系统的压力P只有管路状态一定，动 作静止的稳态状况下，有近似正比关系。而一旦管路状态发生变 化，或动态过程，压力P与转矩T没有任何线性关系。故此设想无法应用设想二：速度N控制流量，当流量建立了压力之后，由PID控制速度，稳定油压（即流量，压力均由速度予以控制）？实践：在油压还没有建立的时候，管路尚有空间，此时，用流量正比与 转速的方式运转油泵，管路很快充油。油会受到管路的限制，很 快建立油压。当油压建立起来之后，利用PID调整出来的转速N控 制，由于PID 的平衡作用原理，油压可以稳定在给定值。完全符 合油路的特性,三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用PQ控制原理,三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用PQ控制算法,用两句话总结：当压力未建立，用流量控制建立油压 当压力已经建立，用PID控制油压，使之稳定在给定值,毫无疑问：在标准伺服系统的基础上，增加一套关于油压的算法，就可以实现,通讯给定压力和流量两路信号,系统通过驱动器自身的PID算法控制油泵转速，最终目标使得油泵输出油压快、准、稳达到注塑机操作面板设定压力值,010v对应MPa,三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用原理框图,三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用-接线图,PG卡的DB9插头,三：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-参数表（旧版）,三：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-参数表（新版）,请参考新版本手册C:Documents and Settingszhang桌面伺服注塑机功能码.doc,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,1：保证电机空载的自学习目的：A:学习电机转子磁极与编码器的磁极偏角 B：学习不同电机的交、直轴电感，反电势等自适应速度环和电流环 所需的数据：电机铭牌数据：额定电压，额定电流，额定频率，额定转速。方法：在没有带油泵负载的情况下，直接用F1-16=2的调谐方式。在有带油泵负载的情况下，需要打开溢流阀，和溶胶阀，尽可能降 低轴负载，再用F1-16=2的方式调谐得到的数据：A：磁极偏角Fr-08旧版/A1-02新版 B：反电势F1-15 C：交轴，直轴的电感值以及两轴电流环参数注意：请运行调谐3次，确保A1-02磁极角误差在5度以内。,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,自学习过程中可能出现的异常现象1：ERR20报警停机,ERR43报警，ERR10报警原因：编码器环节存在问题，或反相，或断线，或焊接线错误处理：尝试用参数A1-03将编码器极性取反或者改变UVW相序。如果不能解决，则 应当检查编码器的接线，或者检查编码器的安装工艺现象2：面板出现“TUNE”，但一直不会消失，仿佛死机一般。原因：编码器环节存在问题，通常是断线，或整个插头接触不良，或PG卡不良处理：检查编码器接线，或尝试更换PG卡注意：自学习不能通过，绝对不允许运行伺服系统！,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,2：自学习完成之后的验证（低速普通速度模式试运行）目的：确认编码器环节无问题，确认马达驱动正常方法：A：将液压系统溢流阀打开，将溶胶阀打开；B：限制驱动器的输出转矩在50%以下；（F2-10）C：限制驱动器的运行频率在30HZ以下（F0-08设置）D：按下面板“RUN”按钮，马达以指定频率运转。结果：观察电流是否在1A以下，如果电流过大，或突变，不正常 听马达运转声音，如果存在异响，不正常 电流正常，无异响，可以尝试高速运行。处理：电流波动或者异常响声，通常是电流环和反电势不正确，最有可能导致的原 因，是自学习过程中，溶胶阀没有打开，溢流阀不能充分卸压，马达受到阻 力，并不能以全速运转，不能全速运转的情况下，将导致反电势过低，这一 点，也可以通过查看反电势予以确定。,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,3：弱磁超速验证（高速普通速度模式试运行）目的：确认电流环无问题，弱磁升速控制无问题方法：设置电机在额定频率以上运行（F0-08）。通常森洋电机的磁极为8极，额定频率为100HZ。菲仕电机磁极为8极，额定频率为133HZ。结果：从额定频率开始，由于直轴去磁电流增加，驱动器输出电流开始增加。根据 弱磁越深，输出电流增加越大。异常：如果在进入弱磁点之后，电流并没有随着弱磁深度（超速程度）而增加。则 表明弱磁没有成功。处理：如果弱磁不能成功，请联系汇川公司售后服务。,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,4：油压控制环节加入（A3组参数）A：A3-00=2(驱动器控制油压模式，AI给定油压和流量)B：A3-01=最高转速（液压系统需要）C：A3-02=系统油压（本液压系统需要的最大油压）D：A3-03=最大反馈油压（指传感器的最大量程对应的油压）E：A3-04:给定油压的斜率（通常为50-100MS）F：A3-08A3-10：反向卸油最大速度，底压，底流，根据系统需要设置 A3组的其他参数均为PID。共提供4组PID，可以通过外部端子进行切换。系统非常简易，使用PID默认参数即可实现良好的油压PID控制。,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,5：油压控制环节部分参数的验证（U1组参数）A：可以通过U1-00（编码器实时角度）参数验证编码器工作是否正常，马达静 止时，此值为0。马达运行时，此值从0-360度变化。B：U1-01：给定油压查看。可以在驱动器未使能情况下，由上位电脑给出油压 值，看这个值和电脑给出的值是否一致。检查信号通道。C：U1-02：反馈油压查看，可以在驱动器正常运转的情况下，看这个值是否和系 统的指针油压表是否一致，校对传感器的量程。,四：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-调试指南,6：关于制动电阻 制动电阻选型不合理，有可能导致驱动过电流报警ERR2,3,4,和ERR5,6,7过电压报警。ERR2,3,4是过电流，有可能是制动电阻阻值过小。请按照手册选择阻值 ERR,5,6,7是过电压报警，有可能是制动电阻阻值过大，请按照手册选择阻值 7：关于输入滤波器和输出磁环 滤波器和磁环都是用来有效减轻驱动器对电脑的干扰。凡是有整流和滤波的场合，都存在高次谐波成份，这种谐波进入电网，将有可能 对电子设备造成一定程度的干扰，因为滤波器和输出磁环的存在，可以降低高次 谐波进入电网的程度。从而降低干扰。滤波器的选取原则是：与驱动器的额定电流一致或者略小于驱动器额定电流。,
