伺服驱动器原理及应用培训.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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：,E,n,=0.5J,M,(2N/60),2,电容消耗的能量：,E,c,=0.5C,（,V,k,2,-V,r,2,）,电机绕组消耗的能量：,E,m,=3J,M,N(2I,r,/60T,r,),2,*(R,a,/t,d,),负载消耗的能量：,E,L,=0.5T,L,(2Nt,d,/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,E,r,=E,n,-E,c,-E,m,-E,L,因此我们可以计算出再生电阻的功率为,W,r,=E,r,/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（,T,L,）,额定转矩（,T,R,）,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；,T,P,）,=,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,J,L,应当总是大于电机惯量,J,M,。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,N,L,超过额定电机转速,N,R,。,2,）当负载惯量,J,L,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（,J,total,=J,C,+J,S,+J,L,）是,34.3x10,-4,Kgm,2,，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,Kgm,2,，这个值的,5,倍是,42.5x10,-4,Kgm,2,，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,T,P,：,最大转矩,(T,P,)=,加速转矩,(T,acc,)+,连续转矩,(T,L,),因为,N,M,=N,L,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！,