伺服驱动器原理及应用培训.ppt

一、电流环二、速度环三、位置环四、主回路五、动态制动六、再生七、伺服选型,一、电流环,功能图,一、电流环,电流传感器 电流传感器CT1和CT2在电流环中的作用就是感应通过电机的电流，并且将它转换为一个模拟电压信号。然后这个模拟电压信号经过PWM转换电路到ASIC。在这里只需要2个电流传感器，因为CPU能够根据公式Iu+Iv+Iw=0计算出W相的电流。,一、电流环,功率晶体管 在电流环中包括6个功率晶体管。EDB伺服驱动器中使用的是IPM智能功率模块，内置有6个IGBT及其驱动电路，另外，还包括过流检测、过热检测。EDB-05使用了15A的IPM。EDB-10/15使用了30A的IPM。EDB-20使用了50A的IPM。EDB-30/50使用了75A的IPM。,一、电流环,CPU CPU比较电流指令和电流反馈，作为结果的波形送入放大器，再经过PWM后将信号送到功率晶体管。,一、电流环,PWM PWM（脉宽调制）是一种将模拟信号转换为数字信号的方法。在模拟信号上加上一个载波频率，其大小依赖于功率模块的开关次数。每当模拟信号与载频波形交叉时，PWM输出就发生一次转换，一系列的转换就形成了方波信号，其表现为模拟信号的平均值，相当于该信号的数字形态。,二、速度环,功能图,二、速度环,P/PI控制,三、位置环,功能图,三、位置环,脉冲指令 我们通过Pn008选择脉冲指令形态。Pn009的bit0、bit1被设定为0表示正逻辑（上升沿），为1表示负逻辑（下降沿）。,三、位置环,平滑功能 平滑功能是对脉冲指令进行加速度/减速度处理，在以下几种情况下使用：1）上位机无加速度/减速度功能。2）脉冲指令频率太低。3）电子齿轮比太高（超过10/1）。,三、位置环,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Pn017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Pn025 可以减小振动。,三、位置环,偏置功能 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逼近指令运动轮廓。,四、主回路,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。,四、主回路,P-N电压 在DB1上的P-N电压是供电电压的有效值，即右图中P点的电压读数是310V。V(RMS)=220V*1.41=310V,五、动态制动,动态制动的方法 通过动态制动使电机突然停止的方法有两种：1）通过短接电机U、V、W相的绕组；2）将转子能量消耗到电阻上。,五、动态制动,动态制动是如何发生的？第一种情况：双继电器版本的EDB伺服驱动器的动态制动电路使用一个继电器造成电机绕组短路，从而使电机紧急停机。当用在大功率伺服上时这种方法不是很安全。,五、动态制动,动态制动是如何发生的？第二种情况：1.5kW以下的EDB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。,五、动态制动,动态制动是如何发生的？第三种情况：2kW以上的EDB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。,五、动态制动,动态制动何时发生？Servo Off：动态制动打开以保证安全。Servo On：动态制动关闭。伺服驱动器进入Servo Off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指定电机如何停机。,五、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。,五、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，有些伺服驱动器（如双继电器版本）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。,六、再生,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。,六、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（C1）放电。当一套EDB伺服系统运行在额定转速并且带着允许的最大负载惯量，EDB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。这个值通常在选型软件中计算并且显示为电阻功率。然而，如果需要也可以手工计算。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C1或R1的功率不够大，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。,六、再生,再生的目的 EDC伺服驱动器只有电容C1用于内部再生。如果需要外部再生，则需要将外部再生单元接到驱动器的P和N端子上。如果一个系统中有多个这类的伺服驱动器，通过将每一台驱动器的所有P端子连接在一起、所有N端子连接在一起，可能可以增加再生的容量。这相当于将所有的C1并联。但是这必须依赖于对系统执行周期的完整分析。5.0kW以下的EDB伺服驱动器都有内部电阻R1和电容C1。如果需要外部再生，必须由技术服务人员将内部R1去掉，并且在P和B端子上外接电阻。,六、再生,时序 在下面的例子中，假定有200V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283V（200*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C1充电。然而，如果母线电压超过380VDC，再生晶体管（TR1）就会打开，能量就会消耗到电阻R1上，晶体管实际在380VDC到370VDC循环开关。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TR1打开时间太长（一个内部寄存器专用于记录TR1的开/关时间）。,六、再生,时序 如果发生了A13和A16报警，我们需要改变再生电阻R1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R1的电流量。增大电阻功率并不是正确的解决问题的方法，因为流过电阻R1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R1的阻值，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。,六、再生,再生的计算电机产生的能量：En=0.5JM(2N/60)2电容消耗的能量：Ec=0.5C（Vk2-Vr2）电机绕组消耗的能量：Em=3JMN(2Ir/60Tr)2*(Ra/td)负载消耗的能量：EL=0.5TL(2Ntd/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/Cycle,六、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C1、电机绕组、电阻R1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。,七、伺服选型,选型是一个针对给定应用选择电机和驱动器的过程。如何挑选一个电机或驱动器，需要考虑速度、转矩、惯量和再生电流等因素。,七、伺服选型,速度/转矩的波形 大多数伺服驱动应用于位置控制。下面是这些应用中的三种。,对于位置控制，速度和转矩的波形是很类似的。（速度波形下的面积就是距离）,七、伺服选型,选型的检查点1）速度2）连续转矩3）最大转矩4）RMS转矩5）负载惯量/电机惯量6）再生,七、伺服选型,速度检查 在大多数情况下，被驱动的电机转速应当低于电机的额定转速。然而，在一些应用中，我们可以超过额定转速达到最大转速。通常，这是轻负载或无负载的应用。当我们运行电机超过额定转速时，我们必须知道驱动的电机转速对应的额定转矩，最大转矩和负载惯量。,七、伺服选型,连续转矩 连续动态转矩是当我们运行在不变的速度时带载情况下的转矩。这个转矩应当不会超过电机的额定转矩。连续转矩（TL）额定转矩（TR）,七、伺服选型,最大转矩 最大转矩是一个应用需要的起动转矩。最大转矩（峰值转矩；TP）=连续转矩+加速转矩。需要的最大转矩必须小于最大电机转矩。,七、伺服选型,RMS转矩 RMS（均方根）转矩一定不能超过电机的额定转矩。它的公式是电机选型最重要的公式。注意电机的发热情况依赖于工作循环和RMS转矩。,七、伺服选型,允许的负载惯量 负载惯量JL应当总是大于电机惯量JM。允许的负载惯量依赖于使用的电机的再生和动态制动。对于小的伺服电机，允许的负载惯量是电机惯量的1030倍。对于大的伺服电机，允许的负载惯量降到电机惯量的5倍。,七、伺服选型,再生检查 通常，在选型的时候不需要检查再生。然而，有三种情况必须计算再生。如下：1）当驱动的电机转速NL超过额定电机转速NR。2）当负载惯量JL超过它的允许值。3）当应用中有重力因素（垂直负载应用）。,七、伺服选型,选型举例我们将按照下面的步骤为这个应用选择电机。1）计算惯量2）计算负载转矩3）计算速度4）计算加速度5）预估6）计算最大转矩7）计算RMS转矩,七、伺服选型,选型举例：步骤1 步骤1：计算惯量：为了计算此应用的总惯量。我们必须分别计算联轴器、螺杆、负载的惯量，再把它们加在一起。,七、伺服选型,选型举例：步骤2 步骤2：计算负载转矩：我们使用下面的公式计算负载转矩。,七、伺服选型,选型举例：步骤3 步骤3：计算速度：为了计算电机的速度，我们使用下面的速度公式。*这说明我们需要一个电机，它的额定转速至少为1000r/min。为这个应用，我们选择EMH型130法兰系列电机，其额定转速为2500r/min，这个速度足够我们的应用。,七、伺服选型,选型举例：步骤4 步骤4：计算加速度：为了计算加速时间，我们必须首先参考速度曲线和考虑距离S。,七、伺服选型,选型举例：步骤5 步骤5：预估：现在我们必须为电机确定正确的额定功率。要确定这个值，有2个重要的因素，总的惯量和连续转矩。根据EMH电机的规格，我们预估如下：我们总的惯量（Jtotal=JC+JS+JL）是34.3x10-4Kgm2，这个值不能超过电机惯量的5倍。如果超过了，我们可能会遇到过压报警。因此，我们将选择一个电机，它的惯量要超过我们总的惯量的1/5。EMH-05AP-D04电机的惯量是8.5x10-4 Kgm2，这个值的5倍是42.5x10-4 Kgm2，因为它大于我们总的惯量，所以满足我们的预估标准。然而，我们也必须确信这个电机有足够的带载转矩。因为它的额定转矩是4Nm，大于我们需要的1.56Nm，所以可以选它。,七、伺服选型,选型举例：步骤6 步骤6：计算最大转矩：如下计算最大转矩TP：最大转矩(TP)=加速转矩(Tacc)+连续转矩(TL)因为NM=NL 用我们选的EMH-05AP-D04电机的最大转矩和这个值比较。我们的电机的最大转矩是10Nm，高于需要的最大转矩。我们的选择可以继续下一步。,七、伺服选型,选型举例：步骤7 步骤7：计算RMS转矩：这个举例的最后一个计算就是计算RMS转矩。因为这个值小于EMH-05AP-D04电机的额定转矩。所以我们为这个应用成功地选择了电机。,谢谢大家！,