自动化生产线安装与调试教案基础篇-运动控制技术.docx

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1、单元4运动控制技术伺服电机及伺服放大器1 .永磁交流伺服系统现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁 同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。交流伺服电机的工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控 制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自 带的编码器反馈信号给驱动器，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）。交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯 接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括 位置控制器、速度控制器、转矩和电流

2、控制器等等。伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可 以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍 采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动 电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回 路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过整流电路对输入的三相电或者市电进行整流， 得到相应的直流电。再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永 磁式同步交流伺服电机。逆变部分（DC-AC）采用功率器件集成驱动电路，保护电路和功率开 关于一体的智能功率模块（IPM）,主要拓扑结

3、构是采用了三相桥式电路。 利用了脉宽调制技术即PWM, （Pulse Width Modulation）通过改变功率晶体 管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的 通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小 以达到调节功率的目的。由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性 和抗干扰能力。在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。这就是 说，在稳态时，伺服电机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。反 之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。若指令 脉冲突然消失（例如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动

4、器发出驱动脉 冲），伺服电机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。4.1 松下MINAS A6系列AC伺服电机驱动器（1）电机和驱动器在YL-1633B的输送单元上中，采用了松下MHMF022L1U2M永磁同 步交流伺服电机，及MADLN15SG全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为 运输机械手的运动控制装置。MHMF022L1U2M的含义：MHMD表示电机类型为大惯量，02表示电 机的额定功率为200W, 2表示电压规格为200V, U2表示带键带螺纹无抱 闸。MADLN15SG的含义：MADL表示松下A6系列A型驱动器，N表示 无安全功能，1表示最大额定电流为压规格为单相/三相

5、200V, S表示模拟/ 脉冲，G表示通用通信型。（2）伺服驱动器的接线MADLN15SG伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中：XA：电源输入接口，AC20V电源连接到LI、L3主电源端子，同时连 接到控制电源端子L1C、L2c上。XB：电机接口和外置再生放电电阻器接口，U、V、W端子用于连接 电机。必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子（U、 V、W）不可以接地或短路，交流伺服电机的旋转方向不像感应电动机可以通 过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电 机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。电 机的接线端子和驱动器的接地

6、端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的 连接到同一个接地点上。机身也必须接地。Bl、B3、B2端子是外接放电电 阻，YL-1633B没有使用外接放电电阻。X6：连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞 电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层 连接到插头的外壳（FG）上。X4： I/O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关， 不同模式下的接线，请参考松下A6系列伺服电机手册。YL-1633B输送 单元中，伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。所采用的是简化接线 方式，（3）伺服驱动器的参数设置与调整松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即

7、位置控制、速度控制、转 矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。位置方式就 是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的 角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V至+10V指 令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输 入直流-10V至+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要 进行速度限制，有如下两种方法：a.设置驱动器内的参数来限制，b.输入模 拟量电压限速。（4）参数设置方式操作说明MADLN15SG伺服驱动器的参数共有218个，Pr00-Pr639,可以在驱动器上的面板上进行设置。面板操

8、作说明 参数设置，先按“Set”键，再按“Mode”键选择到“PrOO”后， 按向上、下或向左的方向键选择通用参数的项目，按“Set”键进入。然后 按向上、下或向左的方向键，调整参数，调整完后，长按“S”键返回。选 择其它项再调整。 参数保存，按“M”键选择到“EE-SET”后按“Set”键确认，出 现“EEP-”然后按向上键3秒钟，出现“FINISH”或“reset”，然后重新上 电即保存。(5)部分参数说明在YL-1633B上，伺服驱动装置工作于位置控制模式，S7-226的Q0.0 输出脉冲作为伺服驱动器的位置指令，脉冲的数量决定伺服电机的旋转位 移，即机械手的直线位移，脉冲的频率决定了伺

9、服电机的旋转速度，即机械 手的运动速度，S7-26的0.1输出脉冲作为伺服驱动器的方向指令。对于控 制要求较为简单，伺服驱动器可采用自动增益调整模式。4.2 松下MINAS A6系列AC伺服电机驱动器S7-200 smart有两个内置PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串(PTO) 或脉宽调节(PW)信号波形。一个发生器指定给数字输出点Q0.0,另一个发 生器指定给数字输出点QO.k当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进 电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。内置PTO功能提供了脉冲串输 出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O提供 方向和

10、限位控制。为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7-MicroWIN提供的 位控向导可以帮助用户在很短的时间内全部完成PM、PTO或位控模块的组 态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和 位置提供动态控制。1 .开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息借助位控向导组态PTO输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介 绍如下：(1)最大速度(MAXSPEED)和启动/停止速度(SS SPEED)MAX.SPEED是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范 围内。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。SS_SPEED的数值应满足电机在低速时驱

11、动负载的能力，如果 SS-SPEED的数值过低，电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤 动。如果SS.SPEED的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电机超速。通常，SS_SPEED值是MAX_SPEED值的5% 至 15%o（2）加速和减速时间加速时间ACCEL_TIME：电机从SS_SPEED 速度加速到MAX_SPEED 速度所需的时间。减速时间DECELJTIME：电机从MAX_SPEED 速度减速到SS_SPEED 速度所需要的时间。加速时间和减速时间的缺省设置都是1000毫秒。通常，电机可在小于 1000毫秒的时间内工作。电机的加速和失速时间通常要经过测

12、试来确定。开始时，应输入一个 较大的值。逐渐减少这个时间值直至电机开始失速，从而优化应用中的这些 设置。（3）移动包络一个包络是一个预先定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响 着从起点到终点的移动。一个包络由多段组成，每段包含一个达到目标速度 的加速/减速过程和以目标速度匀速运行的一串固定数量的脉冲。位控向导提供移动包络定义界面，应用程序所需的每一个移动包络均 可在这里定义。PTO支持最大100个包络。定义一个包络，包括如下几点；选择操作模式；为包络的各步定 义指标。为包络定义一个符号名。选择包络的操作模式：PTO支持相对位置和单一速度的连续转动两 种模式，相对位置模式指的是运动终点位置是

13、从起点侧开始计算的脉冲数 量。单速连续转动则不需要提供终点位置，PTO一直持续输出脉冲，直至有 其他命令发出，例如到达原点要求停发脉冲。包络中的步一个步是工件运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。 PTO每一包络最大允许29个步。每一步包括目标速度和结束位置或脉冲数 目等几个指标。图4-10所示为一步、两步、三步和四步包络。注意一步包 络只有一个常速段，两步包络有两个常速段，依次类推。步的数目与包络中 常速段的数目一致。2 .使用位控向导生成的项目组件运动向导组态完成后，向导会为所选的配置最多生成11个项目组件（子 程序），这里我们讲述部分子程序分别是：AXISO_CTRL子程序（控

14、制）、 AXISO_GOTO子程序（运行位置），AXISO_RSEEKL （寻零）子程序。一 个由向导产生的子程序就可以在程序中调用。它们的功能分述如下：1、AXISO CTRL子程序：AXISxCTRL子例程（控制）启用和初始化运 动轴，方法是自动命令运动轴每次CPU更改为RUN模式时加载组态/曲线 表。在您的项目中只对每条运动轴使用此子例程一次，并确保程序会在每次 扫描时调用此子例程。使用SMO.O（始终开启）作为EN参数的输入。如图4-12 所示。输入参数： MOD_EN （使能）输入（BOOL型）：MOD_EN参数必须开启，才 能启用其它运动控制子例程向运动轴发送命令。如果MOD_EN

15、参数关闭， 运动轴会中止所有正在进行的命令。输出参数 Done （“完成”）输出（BOOL）型:当“完成”位被设置为高时， 它表明上一个指令也已执行。 Error （错误）参数（BYTE型）：包含本子程序的结果。当“完成” 位为高时，错误字节会报告无错误或有错误代码的正常完成。 C_Pos （DWORD型）：C_Pos参数表示运动轴的当前位置，否则当 前位置将一直为Oo根据测量单位该值是脉冲数（DINT）或工程单位数 （REAL）o C_Speed （DWORD型）：C.Speed参数提供运动轴的当前速度。如 果针对脉冲组态运动轴的测量系统C_Speed是一个DINT数值，其中包含脉 冲数/每

16、秒。如果针对工程单位组态测量系统，C.Speed是一个REAL数值, 其中包含选择的工程单位数/每秒（REAL）。 C_Dir （BOOL型）：C_Dir参数表示电机的当前方向：信号状态 0二正向信号状态1二反向2. AXISCLRSEEK子程序（寻零）：AXISx_RSEEK子例程（搜索参考 点位置）使用组态/曲线表中的搜索方法启动参考点搜索操作。运动轴找到 参考点且运动停止后，运动轴将RP_OFFSET参数值载入当前位置。输入参数： EN位:子程序的使能位。在“完成（Done）位发出子程序执行已 经完成的信号前，应使EN位保持开启。 START参数（BOOL型）:开启START参数将向运动

17、轴发出RSEEK 命令。对于在START参数开启且运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该 子例程向运动轴发送一个RSEEK命令。为了确保仅发送了一个命令，请使 用边沿检测元素用脉冲方式开启START参数。输出参数Done （完成）（BOOL型）：本子程序执行完成时。输出ON。 Error （错误）（BYTE型）：输出本子程序执行的结果的错误信息。 无错误时输出Oo3. AXISCLGOTO子程序（运行位置）：AXISx_GOTO子例程命令运动 轴转到所需位置。 EN位：子程序的使能位。在“完成（Done）位发出子程序执行已 经完成的信号前，应使EN位保持开启。 START （BOOL型）：开启S

18、TART参数会向运动轴发出GOTO命 令。对于在START参数开启目运动轴当前不繁忙时执行的每次扫描，该子 例程向运动轴发送一个GOTO命令。为了确保仅发送了一个GOTO命令， 请使用边沿检测元素用脉冲方式开启START参数。 Pos参数（DINT型）：Pos参数包含一个数值，指示要移动的位首 （绝对移动）或要移动的距离（相对移动）。根据所选的测量单位，该值是 脉冲数（DINT）或工程单位数（REAL）。 Speed （DINT型）：Speed参数确定该移动的最高速度。根据所选的 测量单位，该值是脉冲数/每秒（DINT）或工程单位数/每秒（REAL）。 Mode （BYTE型）：Mode参数选

19、择移动的类型：0绝对位置； 1相对位置；2单速连续正向旋转；3单速连续反向旋转。 Abort （BOOL型）：开启Abort参数会命令运动轴停止执行此命令 并减速，直至电机停止。输出参数Done （完成）（BOOL型）：模块完成该指令时，参数Done ON。 Error （错误）（BYTE型）：输出本子程序执行的结果的错误信息。 无错误时输出Oo C_Pos （DINT型）：此参数包含以脉冲数作为模块的当前位置。根 据测量单位，该值是脉冲数（DINT）或工程单位数（REAL）o C.Speed （DINT型）：C_Speed参数包含运动轴的当前速度。根据 所选的测量单位，该值是脉冲数/每秒（DINT）或工程单位数/每秒（REAL）o