任務(wù)一伺服電機(jī)的認(rèn)識(shí)與檢測(cè)任務(wù)二伺服電機(jī)位置控制模式系統(tǒng)的安裝與調(diào)試項(xiàng)目組成項(xiàng)目十五伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝與維護(hù)

項(xiàng)目描述項(xiàng)目目標(biāo)

任務(wù)一伺服電機(jī)的認(rèn)識(shí)與檢測(cè)

伺服電機(jī)主要靠脈沖來(lái)定位，伺服電機(jī)接收到l個(gè)脈沖信號(hào)，就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)l個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)位移。伺服電機(jī)裝有發(fā)出脈沖功能的裝置，如編碼器等。因此，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，和伺服電機(jī)接收到的脈沖形成呼應(yīng)，稱為閉環(huán)。閉環(huán)系統(tǒng)可以知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收到了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確定位。目前伺服電機(jī)的定位精度可以達(dá)到0.001mm。

所以,伺服電機(jī)就是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電機(jī)，只要它處于閉環(huán)系統(tǒng)中就可以稱為伺服電機(jī)，帶編碼器閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)就是伺服電機(jī)。如圖15-1是伺服電機(jī)的外形。

伺服電機(jī)分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)兩大類(lèi)。常用的直流伺服電機(jī)主要是永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)主要是永磁同步伺服電機(jī)。1．永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)

（1）永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖15-2所示為永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)（簡(jiǎn)稱BLDC）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它主要由永磁鐵、定子、轉(zhuǎn)子、霍爾元件和機(jī)殼（未畫(huà)出）等組成。

永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)是用電子模塊代替了傳統(tǒng)直流電機(jī)的整流部分（電刷及換向器），保留了直流電機(jī)可急劇加速，轉(zhuǎn)速與外加電壓成正比，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比等優(yōu)點(diǎn)。直流無(wú)刷伺服電機(jī)最大的特征為無(wú)刷構(gòu)造，原則上不會(huì)產(chǎn)生噪聲。有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖15-3所示。有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)區(qū)別如圖15-4所示。

永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)的三相定子繞組一般采用星形連接，轉(zhuǎn)子分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子兩種。內(nèi)轉(zhuǎn)子型是定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，定子、定子繞組和機(jī)殼等組成機(jī)座；外轉(zhuǎn)子型是定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外，轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成機(jī)座，轉(zhuǎn)軸起支撐、固定作用。內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子是2～8對(duì)永磁體按照N、S極交替排列在轉(zhuǎn)子周?chē)鷺?gòu)成，如圖15-5所示是內(nèi)轉(zhuǎn)子型永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。外轉(zhuǎn)子型永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)永磁體貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁。電動(dòng)自行車(chē)的電動(dòng)機(jī)就是典型的外轉(zhuǎn)子型伺服電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖15-6所示。

永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)不需要電刷傳輸電流，其驅(qū)動(dòng)電路使用PWM（脈沖寬度調(diào)制簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制）型變頻器，再配合霍爾組件或磁極檢測(cè)組件，可得到圓滑且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，常用于需要高速和高精度控制的系統(tǒng)以及只有直流供電的場(chǎng)合。（2）永磁直流無(wú)刷伺服電機(jī)的工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)到如圖a所示的位置1時(shí)，霍爾傳感器檢測(cè)到該位置使定子B相接電源“+”極、C相接電源“—”極，繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁力作用下轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

同樣地，當(dāng)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)到如圖b所示的位置2時(shí)，B相接電源“+”極、A相接電源“—”極，在磁力作用下轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；在位置3時(shí)，C相接電源“+”極、B相接電源“—”極，在磁力作用下轉(zhuǎn)子連續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如此往復(fù)，轉(zhuǎn)子將持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。2．永磁同步交流伺服電機(jī)

交流伺服電機(jī)有同步和異步兩種。異步交流伺服電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與電容分相式單相異步電機(jī)基本相同，它的定子上裝有兩個(gè)位置互差90o的繞組，一個(gè)是串電容C的勵(lì)磁繞組，始終接在交流電壓線路上；另一個(gè)是控制繞組，連接控制信號(hào)電壓。異步交流伺服電機(jī)為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)且采用鋁合金制成空心杯形，杯壁很薄，僅0.2～0.3mm。它反應(yīng)迅速，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，早期廣泛采用異步交流伺服電機(jī)，延用至今?，F(xiàn)在廣泛采用永磁同步交流伺服電機(jī)。

（1）永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖15-9所示是永磁同步伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，它由定子、永磁轉(zhuǎn)子及位置傳感器（編碼器、霍爾元件）、附屬電子換向開(kāi)關(guān)等組成，有的還有失電制動(dòng)器。1）定子。永磁同步交流伺服電機(jī)的定子與感應(yīng)電機(jī)類(lèi)似，但其槽數(shù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，定子槽安裝三相對(duì)稱Y形連接繞組，用于矢量控制，這與感應(yīng)三相電機(jī)有所不同。其三相繞組沿定子鐵芯對(duì)稱分布，在空間互差120o電角度，由正弦波脈寬調(diào)制的電壓型逆變器為其供電，當(dāng)通入經(jīng)矢量控制的三相正弦波電流時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，永磁轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)。（2）永磁同步交流伺服電機(jī)的工作原理

永磁同步交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁鋼，驅(qū)動(dòng)器（特殊電源）控制的U、V、W三相電流形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)伺服電機(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)的角度與速度。伺服電機(jī)的精度取決于編碼器的精度（線數(shù)）。3．直線電機(jī)

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的新型電機(jī)，它不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)也稱線性電機(jī)，其精度可達(dá)0.1μm，最常用的直線電機(jī)有平板式、U形槽式和管式等。如圖15-12所示為常用的直線電機(jī)。（1）直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖15-13所示是直線電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，它由定子、動(dòng)子、導(dǎo)軌、位置檢測(cè)器（編碼器）等組成。直線電機(jī)可看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)展成平面而成，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的部分叫初級(jí)或定子，定子繞組由三相線圈組成。對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的部分叫次級(jí)或動(dòng)子。

直線電機(jī)次級(jí)（動(dòng)子）有兩種結(jié)構(gòu)：柵型結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)。柵型結(jié)構(gòu)相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)，在次級(jí)鐵芯上開(kāi)槽，槽中放置導(dǎo)條，并在兩端部用導(dǎo)條連接所有槽中導(dǎo)條。實(shí)心結(jié)構(gòu)一般采用非磁性整塊均勻金屬板或合金板，不存在明顯導(dǎo)條。（2）直線電機(jī)工作原理

與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比較，直線伺服驅(qū)動(dòng)器在直線電機(jī)A、B、C三相繞組中通入三相對(duì)稱交流電，在氣隙中產(chǎn)生的不是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而是沿直線移動(dòng)的正弦平移磁場(chǎng)，稱為行波磁場(chǎng)，如圖15-14b所示。次級(jí)切割行波磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，該電流與行波磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)；反之，如果次級(jí)固定，則初級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)。三相繞組用霍爾元件實(shí)現(xiàn)無(wú)刷換相送電。（3）直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)

直線電機(jī)同旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，通過(guò)對(duì)換任意兩相的電源線實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。（4）直線電機(jī)的應(yīng)用直線電機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)和控制，響應(yīng)快、精度高、速度高、能耗低、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行的行程在理論上不受任何限制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、電子消費(fèi)品、激光加工等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。如圖15-15a所示是按鍵壽命檢驗(yàn)試驗(yàn)工作臺(tái)，圖b是直線電機(jī)控制X—Y軸移動(dòng)激光焊接機(jī)，圖c是激光切割機(jī)。

任務(wù)二伺服電機(jī)位置控制模式系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

伺服電機(jī)需要和對(duì)應(yīng)型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器配套使用。由于每個(gè)品牌伺服電機(jī)的控制算法不一定相同，伺服控制單元功能設(shè)計(jì)也不同。因此，伺服電機(jī)在使用中一般需要采用配套的伺服驅(qū)動(dòng)器才能發(fā)揮伺服驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，特別是日本品牌系列伺服系統(tǒng)。目前，歐美品牌系列伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其控制算法大多是開(kāi)放式設(shè)計(jì)，在使用中可以考慮參數(shù)相同、接口通用的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的互換使用。如圖15-16所示是國(guó)產(chǎn)品牌匯川和時(shí)代超群的伺服電機(jī)與配套的伺服驅(qū)動(dòng)器。1．匯川伺服驅(qū)動(dòng)器安裝接線“匯川”是我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的高新技術(shù)品牌，如伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等運(yùn)行安靜平穩(wěn)，定位控制精確。廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、機(jī)器人/機(jī)械手、3C制造、電梯、軌道交通等行業(yè)。（1）匯川三相220V伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)接線如圖15-17所示是匯川三相220VIS600P伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)基本接線圖。三相380V市電需經(jīng)變壓器變換為三相220V的交流電。接觸器的線圈、制動(dòng)抱閘的線圈均需并聯(lián)浪涌抑制器。其主電路端子功能見(jiàn)教材表15-4。(2)伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)抱閘的接線

抱閘是在伺服驅(qū)動(dòng)器處于非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，防止伺服電機(jī)軸運(yùn)行，使電機(jī)保持位置鎖定，主要用于防止機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分因?yàn)樽灾鼗蛲饬σ苿?dòng)影響機(jī)構(gòu)位置。抱閘應(yīng)用如圖15-19所示。抱閘通過(guò)端口CN1連接，需要伺服電機(jī)用戶準(zhǔn)備24V電源，抱閘信號(hào)BK和抱閘電源連線如圖15-20所示，它的連接沒(méi)有極性。注意：伺服電機(jī)停機(jī)后，應(yīng)關(guān)閉伺服使能（S-ON）；抱閘線纜應(yīng)用0．5mm2以上且不可太長(zhǎng)，以保證正常的工作電壓。

（3）編碼器的連接

與驅(qū)動(dòng)器配套的伺服電機(jī)，如采用專(zhuān)用連接插件，其信號(hào)連接關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)。驅(qū)動(dòng)器編碼端子引腳說(shuō)明見(jiàn)教材表15-5，連接省線式2500線編碼器。如伺服電機(jī)是非專(zhuān)用連接插件，可根據(jù)電機(jī)使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接。（5）伺服驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)端子接線

如圖15-23是匯川IS600P伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端子布置圖。伺服驅(qū)動(dòng)器控制有三種模式：位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式等。常用的是位置控制模式，本任務(wù)主要進(jìn)行位置控制模式的接線、參數(shù)設(shè)置和調(diào)試運(yùn)行。其它兩種控制模式請(qǐng)參閱匯川產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)或進(jìn)入官網(wǎng)學(xué)習(xí)（6）位置控制模式1）位置指令輸入信號(hào)。位置指令輸入信號(hào)說(shuō)明見(jiàn)教材表15-6。2）位置控制模式標(biāo)準(zhǔn)接線圖如圖15-24所示。注意：高、低速脈沖不可同時(shí)使用，兩者只可使用其中一個(gè)功能；上位裝置輸出脈沖寬度若小于最小脈寬值，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器接收脈沖錯(cuò)誤。

上級(jí)裝置側(cè)指令脈沖輸出電路可以從差分驅(qū)動(dòng)輸出或集電極開(kāi)路輸出2種中選擇，其最大輸入頻率及最小脈寬見(jiàn)教材表15-7。（7）伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)字量輸入輸出信號(hào)數(shù)字量輸入輸出接線圖如圖15-28所示，信號(hào)引腳功能說(shuō)明見(jiàn)教材表15-8（8）伺服驅(qū)動(dòng)器通訊信號(hào)接線

IS600P伺服驅(qū)動(dòng)器通信信號(hào)連接器（CN3、CN4）為內(nèi)部并聯(lián)的兩個(gè)同樣的通信信號(hào)連接器，其接線如圖15-17右上方。通信信號(hào)連接器引腳功能見(jiàn)教材表15-10。（9）伺服驅(qū)動(dòng)器的安裝1）伺服驅(qū)動(dòng)器的安裝方法。伺服驅(qū)動(dòng)器與墻壁垂直安裝。使用自然對(duì)流風(fēng)或風(fēng)扇對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行冷卻，要求電柜的溫度保持均勻，必要時(shí)可在電柜的上部安裝冷卻用風(fēng)扇。通過(guò)2～4處（根據(jù)容量不同，安裝孔的數(shù)量不同）安裝孔散熱。安裝時(shí)，將其正面（操作面）面向操作人員。多伺服驅(qū)動(dòng)器并排安裝應(yīng)留適應(yīng)的空間，如圖15-35所示。2）伺服驅(qū)動(dòng)器接地線安裝。安裝伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、噪聲濾波器等必須可靠接地，否則，可能有觸電或者干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作的危險(xiǎn)。接地線安裝如圖15-36所示。

伺服驅(qū)動(dòng)器安裝、接線檢查正確后需進(jìn)行電機(jī)型號(hào)及相關(guān)參數(shù)、控制方式等進(jìn)行設(shè)置。匯川IS600P伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置流程如圖15-37所示。對(duì)初學(xué)者，位置控制模式主要進(jìn)行電機(jī)型號(hào)、控制方式、指令輸入方式等基本參數(shù)設(shè)置，其他選擇系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，系統(tǒng)默認(rèn)的控制方式是位置控制模式?？墒謩?dòng)設(shè)置也可應(yīng)用InoServoShop4.10軟件設(shè)置參數(shù)。軟件設(shè)置簡(jiǎn)單、方便，軟件可到官方網(wǎng)站下載，網(wǎng)站有使用方法指導(dǎo)。H02.00

為控制模式，設(shè)定值0：速度模式；1：位置模式；2：轉(zhuǎn)矩模式。（1）設(shè)置方法（2）控制面板及操作方法

面板顯示切換方法如圖15-39所示，電源接通時(shí)，面板顯示器立即進(jìn)入狀態(tài)顯示模式，按“MODE”鍵可在不同顯示模式之間切換。2）面板顯示切換方法。3）參數(shù)顯示。參數(shù)顯示意義見(jiàn)表15-17。4）參數(shù)設(shè)定顯示。參數(shù)設(shè)定顯示意義見(jiàn)表15