技術(shù)培訓(xùn)伺服系統(tǒng)及實(shí)例應(yīng)用

1、,技術(shù)培訓(xùn)：我對(duì)伺服系統(tǒng)的理解,浙江奇賽其自動(dòng)化科技有限公司,KISEKI,伺服系統(tǒng)及實(shí)例應(yīng)用歐陽(yáng)建清 2015.11.25,目錄,一、 伺服系統(tǒng)定義 二、 伺服系統(tǒng)組成 三、 伺服系統(tǒng)要求及分類 四、 伺服系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用,伺服系統(tǒng),定 義,以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。,伺服系統(tǒng)（Feed Servo System）,伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)組成,伺服系統(tǒng)組成,1. 組成： 伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))；檢測(cè)與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。,伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)要求,1.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性（在調(diào)速范圍內(nèi)） 調(diào)速范圍：RN=Fma

2、x/Fmin 一般要求： RN 1000， 且 0.1 mm/min Fmin 1 mm/min 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。,2. 位置精度高 實(shí)際位移與指令位移的差值要小。位置精度一般為0.010.001mm，甚至可高至0.1m。,3.穩(wěn)定性好 即負(fù)載特性要硬，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或承受外界干擾的情況下，輸出速度應(yīng)基本不變，而且保持平穩(wěn)均勻。,4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 即有高的靈敏度，達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間要短，一般要求在200100ms，甚至小于幾十毫秒。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工表面質(zhì)量的好壞。,位置檢測(cè)裝置將檢測(cè)到

3、的移動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，與位置指令信號(hào)進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，變換成速度控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到指令位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。,伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)組成,基本工作原理,伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)分類,伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋有以下三種：,開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng),步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置,控制器,脈沖串,方向脈沖,相電壓,伺服系統(tǒng),開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng),開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)組成,信號(hào)單向流動(dòng)，沒(méi)有反饋。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)： 位置精度較低，抗干擾能力差，對(duì)環(huán)境和元件的要求嚴(yán)格。,

4、位置控制調(diào)節(jié)器,速度控制 調(diào)節(jié)器,信號(hào)處理,+,實(shí)際位置反饋,實(shí)際速度反饋,功率驅(qū)動(dòng),+,編碼器,伺服電機(jī),位置 指令,伺服系統(tǒng),半閉環(huán)伺服系統(tǒng),半閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成,檢測(cè)位置,位置 指令,伺服系統(tǒng),閉環(huán)伺服系統(tǒng),全閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成,將檢測(cè)裝置裝在移動(dòng)部件上，直接測(cè)量移動(dòng)部件的實(shí)際位移來(lái)進(jìn)行位置反饋的進(jìn)給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，精度較高。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 設(shè)計(jì)和調(diào)試技術(shù)復(fù)雜。,伺服系統(tǒng),閉環(huán)伺服系統(tǒng),閉環(huán)伺服系統(tǒng)特征,全閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補(bǔ)償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些。,伺服系統(tǒng),全數(shù)

5、字式伺服系統(tǒng),在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，控制器直接將位置指令以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置本身具有位置和速度控制功能。 控制器與伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間通過(guò)總線相互傳遞如下信息： 位置指令和實(shí)際位置 速度指令和實(shí)際速度 轉(zhuǎn)矩指令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩 伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)參數(shù) 伺服狀態(tài)和報(bào)警,全數(shù)字式伺服系統(tǒng),控制器,第 n 軸伺服單元,第 1 軸伺服單元,SM,PC,總線,總線,SM,PC,伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成,伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng)組成,總線型,伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng)特點(diǎn),1. 系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)節(jié)的調(diào)整由軟件實(shí)現(xiàn)。 2. 具有較高的動(dòng)、

6、靜態(tài)特性。在檢測(cè)靈敏度、溫度漂移、噪聲及抗干擾等方面都優(yōu)于模擬式伺服系統(tǒng)。 3. 引入前饋控制，構(gòu)成了具有反饋和前饋復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 4. 由于全數(shù)字式伺服系統(tǒng)采用總線通信方式，極大地減小了連接電纜，便于設(shè)備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)通過(guò)顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。,當(dāng)前 ，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。全數(shù)字式交流伺服可作速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，接受指令脈沖或模擬電壓指令信號(hào)，并自帶位置環(huán)，具有豐富的自診斷、報(bào)警功能。各控制參數(shù)通過(guò)以下方法用數(shù)字方式設(shè)定：,通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的顯示器和按鍵進(jìn)行設(shè)定 通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的通信接口與上位機(jī)通信進(jìn)行設(shè)定 通過(guò)可分離式編程

7、器和驅(qū)動(dòng)裝置上的接口進(jìn)行設(shè)定,伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng),全數(shù)字式伺服系統(tǒng),控制器,總線,驅(qū)動(dòng)裝置,顯示設(shè)定窗口,編碼器信號(hào)線,三相電源進(jìn)線,伺服電機(jī)三相電源,電機(jī)部分：交流永磁電機(jī) 功率變換部分：可控整流、直流斬波、逆變等 控制器部分：PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等,二、 交流伺服系統(tǒng)的組成,CNC裝置,伺服驅(qū)動(dòng),X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái),指令,電流,位置/速度反饋,插補(bǔ)算法 位置控制,位置控制 速度控制 電流控制,位置/速度反饋,電流,二、 交流伺服系統(tǒng)的組成,1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家,伺服產(chǎn)品伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,德國(guó)西門子，產(chǎn)品外形有：,伺服電機(jī),

8、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,美國(guó)科爾摩根，產(chǎn)品外形有：,伺服電機(jī),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家,伺服產(chǎn)品伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,日本松下及安川，產(chǎn)品外形有：,松下交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,安川伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,1.5伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家,伺服產(chǎn)品伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,1、主要功能 （1）根據(jù)給定信號(hào)輸出與此成正比的控制電壓UC； （2）接收編碼器的速度和位置信號(hào)； （3）I/O信號(hào)接口,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,數(shù)碼顯示窗口,參數(shù)設(shè)置鍵,計(jì)算機(jī)RS232口,I/O信號(hào)接口,編碼器信號(hào)接口,電機(jī)電源輸入輸出接線端子,2、外部接口,5.2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,3、控制模式,（1）位置控制模式最大

9、輸入脈沖頻率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于開(kāi)路收集器）,（2）速度控制模式 模擬速度指令輸入：010V/額定轉(zhuǎn)速,（3）力矩控制模式模擬力矩指令輸入：010V/最大力矩,編碼器 部分,安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。,伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。,5.1 伺服電機(jī)編碼器,編碼器,伺服產(chǎn)品伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,絕對(duì)值和增量編碼器的區(qū)別,增量編碼器,絕對(duì)值編碼器,傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息 位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí) 一般應(yīng)用于角度測(cè)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng),一般用來(lái)測(cè)試速度與方向 也可以用角度測(cè)量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失,伺服產(chǎn)品伺服電

10、機(jī)及驅(qū)動(dòng)器,增量編碼器 顯示速度與旋轉(zhuǎn)方向 顯示角度位置(脈沖累計(jì)) 角度測(cè)量時(shí)，如果電源出現(xiàn)故障,所有的位置信息丟失 分辨率通過(guò)每轉(zhuǎn)多少脈沖表示,絕對(duì)值編碼器 應(yīng)用于角度測(cè)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量 在0360的每一個(gè)角度位置傳輸一個(gè)唯一的信號(hào) (單圈) 在測(cè)量的圈數(shù)中，每一圈，每一個(gè)位置都有唯一的信號(hào)（多圈） 即使在掉電或者電源出現(xiàn)故障時(shí),位置信息一直可用.不必復(fù)零 ! 碼盤材質(zhì)一般為玻璃或高分子材料！,30,5.3伺服電機(jī),5.3交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用,圖 2-2 交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖,交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,連接AC220V,I/O板,5.3.1交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu),5.3交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,5.3

11、.1交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1、啟動(dòng)軟件,2、進(jìn)入TEST功能，使用JOG模式調(diào)試系統(tǒng),3、正反轉(zhuǎn)試運(yùn)行,2 、使用計(jì)算機(jī)設(shè)置調(diào)試伺服系統(tǒng),1 、設(shè)置參數(shù),方法一 聯(lián)接計(jì)算機(jī)使用軟件設(shè)置,方法二 直接在驅(qū)動(dòng)器面板按鈕設(shè)置,5.3.2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)使用,四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,1、系統(tǒng)的組成 飛剪系統(tǒng)包括電氣控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中電氣控制部分包括：人機(jī)界面、PLC、運(yùn)動(dòng)控制器、互連模塊、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)長(zhǎng)輪編碼器、限位開(kāi)關(guān)等；機(jī)械部分包括工作臺(tái)、絲杠、切刀、液壓缸和測(cè)長(zhǎng)輪等。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,1、系統(tǒng)的組成 S1、S2、S3為接近開(kāi)關(guān)，負(fù)責(zé)切刀的上下限位和工作臺(tái)

12、的返回零位；S4、S5、S6為滾輪式行程開(kāi)關(guān)，負(fù)責(zé)工作臺(tái)的終端停車及超行程保護(hù)。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,1、系統(tǒng)的組成 人機(jī)界面，設(shè)有手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)定、故障診斷等畫面，具有控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停車、長(zhǎng)度設(shè)定、產(chǎn)量設(shè)定、故障報(bào)警等功能。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,2、系統(tǒng)的工作過(guò)程 帶材首先通過(guò)輥壓機(jī)組冷彎成需要的型材，然后通過(guò)飛剪機(jī)構(gòu)剪切成一段段符合預(yù)先設(shè)定長(zhǎng)度的型材。伺服電機(jī)通 過(guò)絲杠拖動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由液壓缸帶動(dòng)刀具完成沖切任務(wù)，其運(yùn)行過(guò)程如下：,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,1、系統(tǒng)的工作過(guò)程 (1)型材以恒速向前移動(dòng)，由測(cè)

13、長(zhǎng)輪測(cè)定型材長(zhǎng)度，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，單軸運(yùn)動(dòng)控制器啟動(dòng)伺服電機(jī)，工作臺(tái)開(kāi)始移動(dòng)。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,2、系統(tǒng)的工作過(guò)程 (2)當(dāng)工作臺(tái)的前進(jìn)速度與型材的移動(dòng)速度達(dá)到同步時(shí)，互連模塊輸出同步剪切信號(hào)，PLC檢測(cè)到該信號(hào)后，啟動(dòng)液壓缸動(dòng)作，刀具開(kāi)始沖切，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)S2檢測(cè)到?jīng)_切到位信號(hào)時(shí)，刀具抬起。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,2、系統(tǒng)的工作過(guò)程 (3)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，當(dāng)?shù)毒叻祷氐匠跏嘉恢脮r(shí)，接近開(kāi)關(guān)Sl有信號(hào)輸出，單軸運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)高速返回。,實(shí)例1：型材飛剪系統(tǒng),四、伺服系統(tǒng)實(shí)例分析,2、系統(tǒng)的工作過(guò)程 (4)工作臺(tái)返回到接近開(kāi)關(guān)S3位置時(shí)，工作臺(tái)停止，根據(jù)切割的根數(shù)，決定繼