伺服驱动器伺服驱动器 孙海亮华中数控主要内容：主要内容：华中数控一、伺服驱动器的种类及结构一、伺服驱动器的种类及结构 二、伺服驱动器发展趋势二、伺服驱动器发展趋势三、三、 伺服驱动器的原理：伺服驱动器的原理：四、伺服驱动器的接线：四、伺服驱动器的接线：五、五、 与伺服调节有关的参数及部分实验与伺服调节有关的参数及部分实验七、进给伺服驱动系统常见故障及处理七、进给伺服驱动系统常见故障及处理 六、六、 进给伺服常见报警进给伺服常见报警一、伺服驱动器的种类及结构华中数控华中数控伺服驱动器的内部结构华中数控伺服进给系统的要求伺服进给系统的要求1.调速范围宽2.定位精度高二、伺服驱动器发展趋势华中数控3.有足够的传动刚性和高的速度稳定性4.快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。华中数控5.低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。6.可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。华中数控1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4、电机应能承受频繁启、制动和反转。华中数控对电机的要求对电机的要求华中数控三、伺服驱动器的原理：键盘、显示RS232I/oDSP逻辑门阵列模拟输入电源、制动IGBT逆变器交流伺服电机故障检测、保护位置传感器HSV-20DHSV-20D系统结构系统结构 1 1） 控制电路结构控制电路结构 DSPDSP：ADMC401BSTADMC401BST 逻辑：逻辑：FPGA : A42MX09FPGA : A42MX09 辅助控制：辅助控制：MCU: AT89S8252MCU: AT89S82522 2） 功率电路结构功率电路结构 整流：三相整流桥整流：三相整流桥 逆变：智能功率模块逆变：智能功率模块 电源：开关电源。电源：开关电源。控制电路结构控制电路结构 DSPDSP是整个系统的核心，主要完成实时性要是整个系统的核心，主要完成实时性要求较高的任务，如矢量控制、电流环、速度环、求较高的任务，如矢量控制、电流环、速度环、位置环控制以及位置环控制以及PWMPWM信号发生、各种故障保护信号发生、各种故障保护处理等。处理等。 MCUMCU完成实时性要求比较低的管理任务，如完成实时性要求比较低的管理任务，如参数设定、按键处理、状态显示、串行通讯等。参数设定、按键处理、状态显示、串行通讯等。 FPGAFPGA实现实现DSPDSP与与 MCUMCU之间的数据交换、外部之间的数据交换、外部I/OI/O信号处理、内部信号处理、内部I/OI/O信号处理、位置脉冲指信号处理、位置脉冲指令处理、第二编码器计数等。令处理、第二编码器计数等。功率电路结构功率电路结构功率电路采用模块式设计，三相全桥整功率电路采用模块式设计，三相全桥整流部分和交流部分和交- -直直- -交电压源型逆变器通过公共直交电压源型逆变器通过公共直流母线连接。三相全桥整流部分由电源模块来流母线连接。三相全桥整流部分由电源模块来实现，为避免上电时出现过大的瞬时电流以及实现，为避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压，设有软启动电机制动时产生很高的泵升电压，设有软启动电路和能耗泄放电路。逆变器采用智能功率模电路和能耗泄放电路。逆变器采用智能功率模块来实现。块来实现。HSV-20DHSV-20D交流伺服系统结构图交流伺服系统结构图HSV-20PHSV-20P电源模块结构图电源模块结构图2 2、HSV-20SHSV-20S交流主轴驱动器原理交流主轴驱动器原理 HSV-20SHSV-20S交流主轴驱动器以高性能数交流主轴驱动器以高性能数字信号处理器字信号处理器DSP ADMC401 DSP ADMC401 为控制核心为控制核心, ,以智能功率模块以智能功率模块IPMIPM为逆变器开关元件，为逆变器开关元件，控制算法采用基于转子磁场定向的转差控制算法采用基于转子磁场定向的转差频率矢量控制，实现了电流控制、速度频率矢量控制，实现了电流控制、速度控制和位置控制。控制和位置控制。规格及特点：规格及特点： . 25. 25A A、50A50A、75A75A、100A100A四个型号四个型号 . . 输出功率输出功率3.73.7W15KwW15Kw . . 适配交流感应电机适配交流感应电机 . . 脉冲编码器反馈脉冲编码器反馈 . . 位置、速度、转矩三种控制方式位置、速度、转矩三种控制方式 . . 主轴定向功能主轴定向功能 . . 共电源模块设计，三相共电源模块设计，三相380380V V交流直接供电交流直接供电HSV-20SHSV-20S系统结构（1） 控制核心控制核心 DSP：ADMC401BST 逻辑：逻辑：FPGA : A42MX09 辅助控制：辅助控制：MCU: AT89S8252（2） 功率电路功率电路 整流：三相整流桥整流：三相整流桥 逆变：智能功率模块逆变：智能功率模块 电源：开关电源。电源：开关电源。华中数控驱动保护电路开关电源FPGA显示、按键26LS32EPROMM26LS31光耦光耦光耦285DSP(ADSP2181)X25163电平变换16C550AD7888IPMPMSM三相220V单相220V编码器输出信号输出输入脉冲接口RS232串行接口模拟接口编码器输入接口6PG+光耦华中数控四、伺服驱动器的接线：1.主回路接线：1）.R、S、T电源线的连接；2）伺服驱动器U、V、W与伺服电动机电源线U、V、W之间的接线；2.控制电源类接线：1）.r、t控制电源接线；2）I/O口控制电源接线；3.I/O接口与反馈检测类接线：华中数控华中数控伺服系统主回路的接线图华中数控SANYO DENKISANYO DENKIAC SERVO DRIVEAC SERVO DRIVECN1 Z/ZB/BA/A0V+5VFG78563417,199,12CN2SRV-ONA-RSTCONT-COMOA+OA-OB+OB-OZ+OZ-GNDOUT-PWRS-RDYA-RDYF-PCR-PC264728483456781249414337155024V24VX20X17三洋伺服电机RVV 5X0.5RVVP 6*2*0.14Z/ZB/BA/A0V+5VFG(红)( (白白) )(黑)(绿/黄)PEAC SERVO MOTORMS3PGUZVZWZUZVZWZ+KA10RSTrtRVV4X1.5RSTUVW9220A220BCNARVV2X0.5PE321548768A+A-B+B-Z+Z-GNDCP0+CP0-DIR0+DIR0-12330CNC0V+5V16,18,2010,11黄棕绿 蓝红紫黑白Y16100/F-PC/R-PCV-REFSG2120OUTAGND510欧R2伺服驱动的强电回路及反馈回路接线图华中数控HSV-20D(S)HSV-20D(S)接线接线1 1、电源模块标准接线、电源模块标准接线 2 2、位置控制方式标准接线、位置控制方式标准接线 3 3、速度控制方式标准接线、速度控制方式标准接线1 1、电源模块标准接线、电源模块标准接线注意事项注意事项（1 1）电源模块出厂时，缺省使用内部制动电阻，）电源模块出厂时，缺省使用内部制动电阻， 在在XT1XT1端子处用短路条已将端子处用短路条已将BK1BK1脚与脚与BK2BK2脚短接。脚短接。（2 2）如果使用外接制动电阻需将短路条拆掉，使）如果使用外接制动电阻需将短路条拆掉，使 BK1 BK1脚与脚与BK2BK2脚断开脚断开, ,由由BK2BK2脚与脚与PBPB脚端接外接制脚端接外接制 动电阻。动电阻。 警告：警告：PBPB脚不能与脚不能与BK2BK2脚短接，否则会损坏电源模脚短接，否则会损坏电源模块。块。2 2、位置控制方式标准接线、位置控制方式标准接线3 3、速度控制方式标准接线、速度控制方式标准接线注意事项注意事项（1 1）直流母线强电）直流母线强电P1P1，N1N1由电源模块提供由电源模块提供, ,千万不能接反。千万不能接反。（2 2）在有多个驱动模块级联使用时，直流母线）在有多个驱动模块级联使用时，直流母线P2P2，N2N2联接联接 另一台驱动模块。另一台驱动模块。（3 3）连接图中的主轴电机是以登奇电机为例。）连接图中的主轴电机是以登奇电机为例。 注注: :图中的图中的“壳壳”指的是接线插头的金属外壳指的是接线插头的金属外壳, ,电缆屏蔽线电缆屏蔽线必须与外壳相连。制作时，先解开网状屏蔽，使其互不必须与外壳相连。制作时，先解开网状屏蔽，使其互不相绕，再取其部分缠成线，其余部分剪除，然后将缠成相绕，再取其部分缠成线，其余部分剪除，然后将缠成线的屏蔽套上套管，露出线头焊接至插头的金属外壳。线的屏蔽套上套管，露出线头焊接至插头的金属外壳。焊锡不要过多，应保证插头护罩能够盖上。焊锡不要过多，应保证插头护罩能够盖上。伺服驱动的I/O接口接线图COM+INHCLSRV-ONGAINDIVZEROSPDC-MODEA-CLRCCWLCWLS-RDY+S-RDY-ALM+ALM-COIN-COIN+BRKOFF+BRKOFF-TLCZSPCOM-FGPULS1PULS2SIGN1SIGN2GNDOA+OA-OB+OB-GNDCZSPR/TRQRGNDCCWTL/TRQRGNDOZ+OZ-CWTLSPMIMCNI/F4.7K分频器20K10K10K10K10K指令脉冲输入禁止计数清零伺服-ONP运行/第2增益选择指令脉冲分配选择控制方式选择报警清除CCW驱动禁止CW驱动禁止伺服准备好伺服报警位置到位机械制动释放转矩限制中零速检出PR0A选择PR09选择1K1KVDC1224V指令脉冲输入A相脉冲输入B相脉冲输入C相脉冲输入Z相脉冲开集电极输出CCW转矩限制输入(0-+10伏)CW转矩限制输入(-10-0伏)速度监视输出转矩监视输出73330292728263231983534373639381110401241124356132122484923242519141516171843424647图3CN1/F位置控制接线图华中数控松下伺服驱动器I/F速度控制接线图华中数控松下伺服驱动器I/F位置控制接线图华中数控三洋伺服系统与数控系统连接图华中数控五、与伺服调节有关的参数设定位置环调节器的比例增益。设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调。参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定。华中数控位置比例增益位置比例增益设定位置环的前馈增益。设定位置环的前馈增益。设设定定值值越越大大时时，表表示示在在任任何何频频率率的的指指令令脉脉冲冲下下，位位置滞后量越小置滞后量越小位位置置环环的的前前馈馈增增益益大大，控控制制系系统统的的高高速速响响应应特特性性提提高，但会使系统的位置不稳定，容易产生振荡。高，但会使系统的位置不稳定，容易产生振荡。不需要很高的响应特性时，本参数通常设为不需要很高的响应特性时，本参数通常设为0 0表示范表示范 围：围：0100%0100%华中数控位置前馈增益位置前馈增益设定速度调节器的比例增益。设定速度调节器的比例增益。设设置置值值越越大大，增增益益越越高高，刚刚度度越越大大。参参数数数数值值根根据据具具体体的的伺伺服服驱驱动动系系统统型型号号和和负负载载值值情情况况确确定定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。在在系系统统不不产产生生振振荡荡的的条条件件下下，尽尽量量设设定定较较大大的的值。值。华中数控速度比例增益速度比例增益设定速度调节器的积分时间常数。设定速度调节器的积分时间常数。设设置置值值越越小小，积积分分速速度度越越快快。参参数数数数值值根根据据具具体体的的伺伺服服驱驱动动系系统统型型号号和和负负载载情情况况确确定定。一一般般情情况况下下，负负载惯量越大，设定值越大。载惯量越大，设定值越大。在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值。在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值。华中数控速度积分时间常数速度积分时间常数设定速度反馈低通滤波器特性。设定速度反馈低通滤波器特性。数数值值越越大大，截截止止频频率率越越低低，电电机机产产生生的的噪噪音音越越小小。如如果果负负载载惯惯量量很很大大，可可以以适适当当减减小小设设定定值值。数数值值太太大大，造成响应变慢，可能会引起振荡。造成响应变慢，可能会引起振荡。数数值值越越小小，截截止止频频率率越越高高，速速度度反反馈馈响响应应越越快快。如如果需要较高的速度响应，可以适当减小设定值。果需要较高的速度响应，可以适当减小设定值。华中数控速度反馈滤波因子速度反馈滤波因子设置伺服电机的内部转矩限制值。设置伺服电机的内部转矩限制值。设置值是额定转矩的百分比，设置值是额定转矩的百分比，任何时候，这个限制都有效任何时候，这个限制都有效华中数控最大输出转矩设置最大输出转矩设置设定位置控制方式下定位完成脉冲范围。设定位置控制方式下定位完成脉冲范围。本本参参数数提提供供了了位位置置控控制制方方式式下下驱驱动动器器判判断断是是否否完完成成定定位位的的依依据据，当当位位置置偏偏差差计计数数器器内内的的剩剩余余脉脉冲冲数数小小于于或或等等于于本本参参数数设设定定值值时时，驱驱动动器器认认为为定定位位已已完完成成，到到位位开开关关信信号号为为 ONON，否否则则为为OFFOFF。在位置控制方式时，输出位置定位完成信号，在位置控制方式时，输出位置定位完成信号， 华中数控定位完成范围定位完成范围设置到达速度设置到达速度在在非非位位置置控控制制方方式式下下，如如果果电电机机速速度度超超过过本本设设定定值值，则速度到达开关信号为则速度到达开关信号为ONON，否则为否则为 OFFOFF。在位置控制方式下，不用此参数。在位置控制方式下，不用此参数。与旋转方向无关。与旋转方向无关。设置值是表示电机从设置值是表示电机从0200002000r/minr/min的加速时间或从的加速时间或从 20000 20000r/minr/min的减速时间。的减速时间。加减速特性是线性的。加减速特性是线性的。华中数控加减速时间常数加减速时间常数到达速度范围到达速度范围设定伺服电机的磁极对数；设定伺服电机的磁极对数； 1 1：电机的磁极对数为：电机的磁极对数为1 1； 2 2：电机的磁极对数为：电机的磁极对数为2 2； 3 3：电机的磁极对数为：电机的磁极对数为3 3； 4 4：电机的磁极对数为：电机的磁极对数为4 4；华中数控伺服电机的磁极对数伺服电机的磁极对数设定伺服电机的光电编码器线数；设定伺服电机的光电编码器线数； 0 0：编码器分辨率：编码器分辨率1024 1024 Pusle/rPusle/r； 1 1：编码器分辨率编码器分辨率2000 2000 Pusle/rPusle/r； 2 2 ：编码器分辨率编码器分辨率2500 2500 Pusle/rPusle/r； 3 3 ：编码器分辨率编码器分辨率5000 5000 Pusle/rPusle/r；华中数控编码器分辨率编码器分辨率设置位置指令脉冲的输入形式。设置位置指令脉冲的输入形式。通过参数设定为通过参数设定为3 3种输入方式之一；种输入方式之一； 0 0：两相正交脉冲输入；：两相正交脉冲输入； 1 1：脉冲：脉冲+ +方向；方向； 2 2：CCWCCW脉冲脉冲/ /CWCW脉冲脉冲CCWCCW是从伺服电机的轴向观察，反时针方向旋转，是从伺服电机的轴向观察，反时针方向旋转， 定义为正向。定义为正向。CWCW是从伺服电机的轴向观察，顺时针方向旋转，是从伺服电机的轴向观察，顺时针方向旋转， 定义为反向。定义为反向。华中数控位置指令脉冲输入方式位置指令脉冲输入方式 用于选择伺服驱动器的控制方式。用于选择伺服驱动器的控制方式。0 0：位置控制方式，接收位置脉冲输入指令；：位置控制方式，接收位置脉冲输入指令；1 1：模拟速度控制方式，接收模拟速度指令；：模拟速度控制方式，接收模拟速度指令；2 2：模拟转矩控制方式，接收模拟转矩指令；：模拟转矩控制方式，接收模拟转矩指令；3 3：内部速度控制方式，由参数：内部速度控制方式，由参数2020设定数字速设定数字速 度指令度指令华中数控控制方式选择控制方式选择在在模模拟拟速速度度控控制制方方式式下下，利利用用本本参参数数可可以以调调节模拟速度指令输入的零漂。调整方法如下：节模拟速度指令输入的零漂。调整方法如下：（1 1）将模拟控制输入端与信号地短接。）将模拟控制输入端与信号地短接。（2 2）设置本参数值，至电机不转。）设置本参数值，至电机不转。华中数控速度指令零漂补偿速度指令零漂补偿设置伺服电机的最高限速值。设置伺服电机的最高限速值。与旋转方向无关。与旋转方向无关。如如果果设设置置值值超超过过额额定定转转速速，则则实实际际最最高高限限速速为额定转速。为额定转速。华中数控最高速度限制最高速度限制 接接通通伺伺服服驱驱动动器器的的电电源源， 先先进进入入测测试试调调整整模模式式, ,测测试试调调整整模模式式可可以以执执行行伺伺服服驱驱动动器器的的测测试试操操作作, ,自自整整定定, ,报报警警复复位位和和编编辑辑清清除除. .其其数数字操作器的按键说明如表字操作器的按键说明如表1:1:空载下调试实验华中数控键 名标志输入时间功能确认键WR1秒钟以上确认选择和写入后的编辑数据光标键一秒以内选择光标位上键一秒以内在正确的光标位置按键改变数据,当按下1秒或更长时间,数据上下移动下键一秒以内模式键MODE一秒以内选择显示模式华中数控1.空载下调试及运转 松开伺服电机与负载的联轴器，接通伺服驱动器的电源。通过修改伺服驱动器的系统参数RU08，设置伺服驱动器的不同工作方式：RU08=01速度控制方式RU08=02位置控制方式华中数控华中数控具体调试步骤如下:(1).按下MODE键显示监控模式,然后选择 页面屏幕,通过上下键来增加和减少数值.(2). 按下WR键1秒钟.显示起初屏幕页面.当按下 MODE键,返回到页面选择屏幕。当再次按下MODE 键,转换到下一组模式.华中数控(3).然后进入选择测试调整模式“Ad05”手动操作， 按WR键一秒钟以上，D数码显示为“y_ _ _n”后选 择yes. 数码显示为“rdy”. 然后按up键电机按正 方向运转，按down键时电机按反方向运转，松开 手电机则停止运转华中数控2.通过修改伺服驱动器的通用参数，改变驱动器的运动性能（1）PA000位置比例增益（30）设定位置环调节器的比例增益。设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调。参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定。下面可以对驱动器的位置比例增益进行更改，然后让系统以一个固定的频率给驱动器发送脉冲，既让Z轴以一个固定的速度运行，然后选择系统跟踪误差显示模式，记录下来运行稳定时的跟踪误差值，填入下表：位置比例增益值5203020050010001500系统跟踪误差值Z轴运行状态华中数控（2）PA002速度比例增益（50）设定速度调节器的比例增益。设置值越大，增益越高，刚度越大。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载值情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较大的值速度比例增益值5203020050010001500系统跟踪误差值Z轴运行状态华中数控（3）PA003速度积分时间常数（20）设定速度调节器的积分时间常数。设置值越小，积分速度越快。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值速度环比例增益值800500200502061系统跟踪误差值Z轴运行状态华中数控通通过过修修改改参参数数，观观察察电电机机的的运运行行性性能能，观观察察什什么么情情况况下下电电机机会会出出现现抖抖动动，啸啸叫叫，超超调调，在在参参数数不不同同的的情情况况下下，电电机机运运转转时时观观察察系系统统坐坐标标的的变变化化情情况况，系系统统跟跟踪踪误误差差的的大大小小，回回零零时时的的不不同同现现象象，将将电电机机调调节节到到比比较较理理想想的的状状态态，电电机机动动作作时的不同现象，时的不同现象， 下下面面根根据据下下表表对对伺伺服服进进行行调调试试，把把观观察察到到的的工工作作台台的的运运行状态，伺服电机的运行状态及系统的状态填入下表：行状态，伺服电机的运行状态及系统的状态填入下表：位置环比例增益值515305015030060012001500速度环比例增益值5205070140200300400800速度环比例增益值100050020151210751系统跟踪误差Z轴运行状态伺服电机运行状态华中数控