伺服电机和伺服驱动器的使用介绍.docx

伺服电机和伺服驱动器的使用介绍
一、伺服电机 • 伺服驱动器的控制原理
伺服电机和伺服驱动器是一个有机的整体，伺服电动机的运行性能是电动机及其 驱动器二者配合所反映的综合效果。
1、永磁式同步伺服电动机的基本结构
图1为一台8极的永磁式同步伺服电动机结构截面图，其定子为硅钢片叠成的铁芯 和三相绕组，转子是由高矫顽力稀土磁性材料(例如钕铁錋)制成的磁极。为了检测 转子磁极的位置，在电动机非负载端的端盖外面还安装上光电编码器。驱动器根据反 馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度 (线数)。

图1 永磁式同步伺服电动机的结构
图2 所示为一个两极的永磁式同步电机工作示意图， 当定子绕组通上交流电源后，
就产生一旋转磁场， 在图中以一对旋转磁极N、 S表示。 当定子磁场以同步速n 逆时针方
1
向旋转时，根据异性相吸的原理， 定子旋转磁极就吸引转子磁极，带动转子一起旋转，
转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度 (同步转速n ) 相等。 当电机转子上的负载转矩
1
增大时，定、转子磁极轴线间的夹角 θ就相应增大，导致穿过各定子绕组平面法线方 向的磁通量减少，定子绕组感应电动势随之减小，而使定子电流增大，直到恢复电源 电压与定子绕组感应电动势的平衡。这时电磁转矩也相应增大，最后达到新的稳定状 态，定、转子磁极轴线间的夹角 θ称为功率角。虽然夹角θ会随负载的变化而改变，
但只要负载不超过某一极限， 转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速n 转动，即转
1
子的转速为：

(1 - 1)

图 2 永磁同步电动机的工作原理
电磁转矩与定子电流大小的关系并不是一个线性关系。事实上，只有定子旋转磁 极对转子磁极的切向吸力才能产生带动转子旋转的电磁力矩。因此，可把定子电流所 产生的磁势分解为两个方向的分量，沿着转子磁极方向的为直轴(或称d轴)分量，与 转子磁极方向正交的为交轴(或称q轴)分量。显然，只有q轴分量才能产生电磁转矩。
由此可见，不能简单地通过调节定子电流来控制电磁转矩，而是要根据定、转子 磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值，进而分别对q 轴分量和d轴分量加以控制， 才能实现电磁转矩的控制。 这种按励磁磁场方向对定子电 流磁势定向再行控制的方法称为“磁场定向”的矢量控制。
2、位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和
速度环。

图 3
• 稳态误差接近为零；
• 动态：在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。

二、 松下MINAS A5系列AC伺服电机•驱动器的接线和参数设置简介
AC 伺服电机和驱动器MINAS A5 系列对原来的A4 系列进行了性能升级，设定和调 整极其简单；所配套的电机，采用 20 位增量式编码器，且实现了低齿槽转矩化；提 高了在低刚性机器上的稳定性，及可在高刚性机器上进行高速高精度运转，可应对各 种机器的使用。
1、驱动器和伺服电机型号的定义 ·驱动器

图 4
·伺服电机

图 5
2、驱动器接口和控制接线

图 6
⑴ 主电路接线：连接器XA 包括主电源输入端子和控制电源输入端子，可独立；
连接器XB 的电机连接端子连接到伺服电机， 固定接线， 不可反接。 ( U相 红色、V相 白
色、W相 黑色)；X6 接口编码器反馈信号
⑵ X4端口：I/O 控制信号端口。YL- 335B接线如图7所示。

图 7
X4端口是一个50针端口， 各引出端子功能与运行模式有关。 YL- 335B采用位置模式， 并根据设备工作要求，只使用部分端子。此外，伺服ON输入(29脚)、伺服警报输出负 端(36脚，ALM-端)均在接线插头内部连接到 COM- 端(0V)。从接线插头引出的信号

只有：
• 脉冲信号输入端(OPC1、PULS2、OPC2、SING2)
• 正方向驱动禁止输入(9脚，POT)，负方向驱动禁止输入((8脚，NOT)
注意： 采用S7-200系列PLC时， PLC脉冲输出端的连接与三菱FX系列PLC不同， 图8(a) 是FX1N脉冲输出端与驱动器的连接原理，图(b) 则是西门子S7-226脉冲输出端与驱动 器的连接原理。

图 8
3、参数设置
⑴ 操作面板使用

图 9
⑵ 参数设置

A5的参数分为7类，即：分类0(基本设定)；分类1(增益调整)；分类2(振动抑
制功能)； 分类3 (速度、 转矩控制、 全闭环控制) …YL- 335B实际上主要使用基本设定。

A5 伺服参数设置表格

序
号
1
2

3

4

5

6

7

8

9

10

11


参数号
Pr5.28
Pr0.01

Pr5.04

Pr0.04

Pr0.02

Pr0.03

Pr0.06

Pr0.07

Pr0.08

Pr0.09

Pr0.10

参数
参数名称 LED 初始状态 控制模式

行程限位禁止 输入无效设置

惯量比 1678

实时自动增益 设置

实时自动增益 的机械刚性选 择
指令脉冲旋转 方向设置

指令脉冲输入 方式
设定相当于电 机每旋转 1 次 的 指 令 脉 冲 数。
第 1 指 令 分 频、倍频分子

指令脉冲分倍 频分母

设置值

1
0

2

1

13

与 所 使 用 指 令 有关

3

6000

0

6000

功能和含义

显示电机转速
位置控制(相关代码 P)
当左或右限位动作，则会发生 Err38 行程限位 禁止输入信号出错报警。 设定为 1 时， POT、NOT 无效。
设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才 能修改、写入成功。
实时自动增益调整有效时，实时推断惯量比， 每 30 分钟保存在 EEPROM 中。
设定值为 0 时，实时自动调整功能无效；为 1 时是标准模式，实时自动调整有效，是重视稳 定性的模式。不进行可变载荷及摩擦补偿也不 使用
实时自动增益调整有效时的机械刚性设定。此 参数值设得很大，响应越快，但变得容易产生 振动。
指令脉冲 + 指令方向。设置此参数值必须在控 制电源断电重启之后才能修改、写入成功。

①若 Pr0.08≠0，电机每旋转 1 次的指令脉冲数 不受与 Pr0.09 、Pr0. 10 的设定影响。

②若 Pr0.08=0， Pr0.09=0

③若 Pr0.08=0， Pr0.09≠0

编码器分辨率为 10000(2500p/rх4)

初始值

0

1

1

13

0

1

设置说明：
① 控制模式：Pr0. 01 =0 位置控制

② 指令脉冲旋转方向和指令脉冲输入方式： Pr0. 06，Pr0. 07。
位置指令(脉冲列)对应3 形态的输入： (a)2 相脉冲;(b)正向脉冲／负相脉冲 (CW 和CCW);(c)脉冲列+ 符号。
• Pr0. 07 规定了确定指令脉冲旋转方向的方式：两相正交脉冲(0或2)、CW和CCW (=1) 或指令脉冲+指令方向 (=3)。 用PLC的高速脉冲输出驱动时， 应选择 Pr0. 07=3。
• 当Pr0. 06=0，Pr0. 07=3，则指令方向信号SING为高电平(有电流输入)时，正 向旋转。例如，当PLC编程使用定位控制指令驱动伺服系统时，需选择 Pr0. 06=0
• 当 Pr0. 06=1，Pr0. 07=3，则指令方向信号SING 为低电平(无电流输入)时，正 向旋转。例如，在 S7-226 编程使用脉冲输出指令驱动伺服系统时，需选择 Pr0. 06=1
③ 位置控制模式下电子齿轮的概念和电子齿轮参数
位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图

图 10
带积分器的闭环控制系统稳态误差为零，即输入的指令脉冲数乘以电子齿轮比， 将与编码器反馈的脉冲数相等。电子齿轮是一个分/倍频器，用以按需要改变指令脉冲 数，使之与编码器反馈脉冲数匹配。
YL- 335B中，同步轮齿数=12，齿距=5mm, 每转60 mm，为便于编程计算，希望脉冲

当量为0. 01 mm，即伺服电机转一圈，需要PLC发出6000个脉冲。故设定 Pr0. 08=6000。
④ 保护参数：Pr5. 04--行程限位禁止输入无效设置，
设定Pr5. 04=2，则当左或右限位动作，则会发生Err38 行程限位禁止输入信号错 误报警。
二、使用 PLC 的脉冲输出功能驱动伺服电机
1、三菱 FX1N 的定位控制指令

定位控制指令包括原点回归(ZRN)、相对位置控制 (DRVI) 、绝对位置控制 (DRVA)

和可变速脉冲输出指令( PLSV )。
⑴ 原点回归 DZRN： ①高速返回到近点，②到达近点以爬行速度返回，近点信号 (DOG)由 ON 变为 OFF(下降沿)停止。当前值寄存器(D8041，D8040)清零。执行完

成标志是 M8029。
⑵ 绝对位置控制 DDRVA：给出目标位置的坐标(对于原点的脉冲数，可正负 )， 运 行频率；指定脉冲输出、方向输出点。
例：原点回归子程序

图 11
⑶ 可变速脉冲输出指令 DPLSV，一个附带旋转方向的可变速脉冲输出指令。给定 脉冲输出频率(可正负)，指定脉冲输出、方向输出点。在脉冲输出状态中，仍然能够 自由改变输出脉冲频率。

2、S7-200 系列 PLC 的脉冲输出功能
⑴ 使用位控响导编程注意问题
① 点选使用高速计数器 HSC0(模式 12)对 PTO 生成的脉冲自动计数的功能。

② 为运动包络指定 V 存储区地址(修改建议地址)，应通盘考虑，自行键入一个
合适的地址。

⑵ 由向导生成的四个项目组件(子程序)的使用

其中

• PTOx_ MAN 子程序(手动模式)：将 PTO 输出置于手动模式。执行这一子程序允许
电机启动、 停止和按不同的速度运行。 但当 PTOx_MAN 子程序已启用时， 除 PTOX-CTRL 外任何其他 PTO 子程序都无法执行。
PTOx_LDPOS 指令(装载位置)：改变 PTO 脉冲计数器的当前位置值为一个新值。 可用该指令为任何一个运动命令建立一个新的零位置。
3、西门子 S7-200 系列 PLC 的脉冲输出指令库 MAP
•脉冲输出指令库 MAP 基于 S7-200 PLC 本体脉冲输出指令(PTO)，用于帮助用户 实现较复杂的定位功能，控制伺服驱动或步进电机。
• 指令库安装
例：MAP serv q0. 0 指令库安装
• 指令库的内容
MAP 包括的指令块如下表：
功能
参数定义和控制
执行一次相对位移运动 执行一次绝对位移运动 按预设的速度运动
寻找参考点位置
停止运动
重新装载当前位置
将距离值转化为脉冲数
将脉冲数转化为距离值
块 Q0_x_CTRL Q0_x_MoveRelative Q0_x_MoveAbsolute Q0_x_MoveVelocity Q0_x_Home Q0_x_Stop Q0_x_LoadPos Scale_EU_Pulse
Scale_Pulse_EU

• MAP SERV Q0.0 指令库的使用
a、应用 MAP 库时，一些输入输出点的功能被预先定义，如表 3 所示：

名称
MAP SERV Q0.0
MAP SERV Q0. 1
脉冲输出
Q0.0
Q0. 1
方向输出
Q0.2
Q0.3
参考点输入
I0.0
I0. 1
所用的高速计数器
HC0
HC3
高速计数器预置值
SMD 42
SMD 142
手动速度
SMD 172
SMD 182

b、背景数据块
为了可以使用该库，必须为该库分配 68 BYTE(每个库)的全局变量
第 1 次在程序中调用一个库指令时，项目中的程序块就会出现“库”，右击之，为
该库分配存储区。如图

c、示例说明
* 工作任务：取自《自动线安装与调试(三菱 FX 系列)》7 .4. 1 之工作任务
输送单元单站运行的目标是测试设备传送工件的功能。进行测试时要求其他各工作单元已经就 位，并且在供料单元的出料台上放置了工件。具体测试要求如下：
1、输送单元在通电后，按下复位按钮 SB1 ，执行复位操作，使抓取机械手装置回到原点位置。 在复位过程中， “正常工作”指示灯 HL1 以 1Hz 的频率闪烁。
当机械手装置回到原点位置，且输送单元各个气缸满足初始位置的要求，则复位完成， “正常 工作”指示灯 HL1 常亮。按下起动按钮 SB2 ，设备启动， “设备运行”指示灯 HL2 也常亮，开始功 能测试过程。
2、正常功能测试

⑴ 抓取机械手装置从供料站出料台抓取工件，抓取的顺序是：手臂伸出 →手爪夹紧抓取工件 →提升台上升 →手臂缩回。
⑵ 抓取动作完成后，机械手装置向加工站移动，移动速度不小于 300mm/s。
⑶ 机械手装置移动到加工站物料台的正前方后，即把工件放到加工站物料台上。机械手装置 在加工站放下工件的顺序是：手臂伸出 →提升台下降 →手爪松开放下工件 →手臂缩回。
⑷ 放下工件动作完成 2 秒后，机械手装置执行抓取加工站工件的操作。抓取的顺序与供料站 抓取工件的顺序相同。
⑸抓取动作完成后， 机械手装置移动到装配站物料台的正前方。 然后把工件放到装配站物料台 上。其动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。
⑹ 放下工件动作完成 2 秒后，机械手装置执行抓取装配站工件的操作。抓取的顺序与供料站 抓取工件的顺序相同。
⑺ 机械手手臂缩回后，摆台逆时针旋转 90°，机械手装置从装配站向分拣站运送工件，到达 分拣站传送带上方入料口后把工件放下，动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。
⑻ 放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，然后执行以 400mm/s 的速度返回原点的操作。返 回 900mm 后，摆台顺时针旋转 90°，然后以 100mm/s 的速度低速返回原点停止。
当机械手装置返回原点后，一个测试周期结束。当供料单元的出料台上放置了工件时，再按一 次启动按钮 SB2 ，开始新一轮的测试。
⑼ 在上述工作过程中若按下急停按钮，系统立即停止。急停复位后，系统从断点开始继续运
行。
编程要点
a.主要的运行控制是单序列的步进控制，编程时首先要营造工作环境，启动后进 入运行状态，执行步进顺序控制。
• 营造工作环境的过程，包含准确寻找抓取机械手装置的参考点位置，以便在运 行控制中准确定位。该参考点位置位于原点开关的中心线处(故称原点位置) ，因此， 即使原点开关状态为 ON，仍未能认为抓取机械手装置已经在原点位置。
本程序的算法是，使用寻找参考点指令(西门子：Q0 _ 0 _Home；三菱：原点回归指 令 ZRN)，准确获得离开原点开关的下降沿位置，然后低速前进一个确定距离，到达原 点开关中心线处。
寻找参考点的方向必须是从左向右的，故在开始使用寻找参考点指令时，若原点 开关状态为 ON，应首先从右向左运行一段距离，以正确执行寻找参考点指令。

使用西门子 MAP 库 Q0 _ 0 _Home 指令，寻找参考点时的高速，默认值为最高速度的
一半，若认为不合适，须更改背景数据块中的 VD23。

• 启动后主运行控制，西门子：调用“运行控制”子程序，三菱：使用主控指令 主运行控制的条件，一是运行状态标志为 ON，二是急停按钮没有按下。
应用西门子 MAP 库指令时注意：若急停按钮按下， “运行控制”子程序停止调用。
但如果急停时，正在应用 Q0 _ 0 _MoveAbsolute 指令驱动机械手运动，则无法控制其停

止。为此在急停按钮按下时，须用 Q0 _ 0 _Stop 指令强行停止。

b. 主运行控制是单序列步进顺控，须注意步转移的条件。
• 抓取机械手抓取和放下工件由于需要反复进行，均使用调用子程序的方法。 S7-200 的调用，可采用带形式参数的子程序，抓取完成时返回一个开关量。

与三菱 FX PLC 子程序的比较
S7-200 程序中“抓取工件”子程序的输出“抓料完成”是一个局部变量，子程序 执行结束存储区被清除。 当抓料完成时， “抓料完成” ON， 传递给全局变量 M4. 0， M4. 0 只能 ON 一个扫描周期。
步进程序中定位控制步完成的标志