机电一体化技术(20L307Q)课程.doc

机电一体化技术课程实验指导书机电一体化技术（20L307Q）课程实验指导书（48学时必修）孙卫青编写现代制造技术综合实验中心2005. 5目录实验一、机电一体化系统的功能部件和精度测量、误差补偿实验4一、实验目的：4二、实验设备或软件：4三、实验原理：4四、实验要求：7五、实验特点：7六、实验内容：7七、实验步骤：9八、实验报告要求：9九、实验考核要求：10十、实验参考资料：10十一、思考题：10实验二、交流伺服电机控制方式及伺服驱动原理及特性实验11一、实验目的：11二、实验设备或软件：11三、实验原理：11四、实验要求：13五、实验特点：13六、实验内容：13七、实验步骤：15八、实验报告要求：16九、实验考核要求：17十、实验参考资料：17十一、思考题：18实验三、机电一体化系统检测元件及核心运动控制器的应用实验18一、实验目的：18二、实验设备或软件：18三、实验原理：18四、实验要求：25五、实验特点：25六、实验内容及步骤：25七、实验报告要求：27八、实验考核要求：28九、实验参考资料：28十、思考题29实验四、可编程序控制器应用实验29一、实验目的：29二、实验设备或软件：29三、实验原理：29四、实验要求：30五、实验特点：30六、实验内容：30七、实验步骤：30八、实验报告要求：31九、实验考核要求：31十、实验参考资料：31十一、思考题31实验五、机电一体化系统PID调节器应用实验31一、实验目的：31二、实验设备或软件：32三、实验原理：32四、实验要求：35五、实验特点：35六、实验内容：35七、实验步骤：36八、实验报告要求：36九、实验考核要求：37十、实验参考资料：37十一、思考题37实验六、基于MATLAB/Simulink的机电一体化系统的仿真分析实验38一、实验目的：38二、实验设备或软件：38三、实验原理：38四、实验要求：39五、实验特点：39六、实验内容：39七、实验步骤：40八、实验报告要求：40九、实验考核要求：41十、实验参考资料：41十一、思考题41实验一、机电一体化系统的功能部件和精度测量、误差补偿实验一、实验目的：（1）通过对机电一体化系统功能部件的认识和操作，使学生理解典型机电一体化系统组成，并对系统设计内容和流程建立总体的认识，使所学抽象的理论知识与实践结合起来，进而确立机械与电子及相关技术的相互渗透和有机融合观念。（2）加深理解定位精度和反向间隙的概念、学会分析系统定位精度的影响因素、测量精密定位平台定位精度，从机械和控制系统两个方面采取措施提高系统精度，并学习常数间隙补偿的方法。二、实验设备或软件：（1）AS-100交流伺服教学设备一套；（2）计算机一台，PEWIN软件；（3）位置检测工具一台（读数显微镜、光栅尺或激光干涉仪等）。三、实验原理：内容一、机电一体化系统的功能部件：完善的机电一体化系统包括以下基本要素如图1所示：机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。机械部分用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体，可以像数控工作台和机器人那样实现目标轨迹和动作；执行装置将信息转化为力和能量，以驱动机械部分运动；传感检测部分用于对输出端的机械运动参数进行测量、监控和反馈。信息处理与控制系统是对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，向执行装置发出动作指令。机电一体化系统主功能：变换（加工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能。其它内部功能即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。执行装置机械部分传感器图1机电一体化系统的组成动力源控制装置交流伺服教学系统是典型的机电一体化设备，主要组成环节如图2所示：信息处理和控制由PMAC（可编程多轴运动控制器）完成；驱动元件为富士伺服驱动器，执行机构是伺服驱动器配套的交流伺服电机，伺服电机与驱动器组成速度闭环控制系统；机械本体X-Y工作台是一典型的控制对象，采用滚珠丝杠螺母传动的模块化的十字工作台，用于实现目标轨迹和动作，为纪录运动轨迹和动作效果，用笔架和绘图装置代替加工工件的刀具，X-Y工作台也是目前许多数控加工设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀装置、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备工作台等；检测元件用编码器或光栅尺。内容二、系统的精度测量及误差补偿系统运动系统的精度是机电一体化系统的一个重要指标。运动系统的精度包括运动精度、位置精度。其中位置精度对精密定位系统最重要。而定位精度对位置精度影响最大。运动部分的定位精度是指运动部件实际位置和目标位置的接近程度。在AS-100教学系统中，指平台在移动过程中，根据指令信号，沿某一坐标轴方向移动一段距离时，实际值与给定值的接近程度。定位精度对系统性能的影响，例如把平台用做数控机床进给系统，将影响点位、直线控制系统的工件的尺寸精度；对轮廓控制系统，将影响工件轮廓的加工精度，产生轮廓失真。体现在AS-100教学实验中，将影响绘制的笔迹的尺寸精度和轮廓形状。图2 AS-100型交流伺服教学系统构成定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。定位误差采用统计检验的方法确定。定位精度受到所有电气控制系统和机械装置精度的综合影响。不同的伺服控制方法对系统的精度影响不同。1. 定位精度分析（1）开环系统的定位精度在开环控制的系统中，指令经脉冲分配器、驱动器、步进电机、减速系统、滚珠丝杠螺母副转换为精密定位平台的移动。平台的定位精度受到所有电气和机械装置及元件结构设计和制造精度的综合影响。在使用过程中，定位精度进一步受到振动、热变形、导轨和滚珠丝杠螺母副的磨损以及控制元件特性变化等影响。主要影响因素有： 步进电机的误差：步进电机步距角误差，伺服步进电机步距角误差一般为1030；步进电机动态误差：步进电机单步运行时有明显的振荡，超调量一般为步距角的2030%，在某些频率运行时有共振现象；步进电机起停误差：在步进电机启动和停止的过渡过程中，电机的转动滞后于控制脉冲。 机械传动系统的几何误差：包括所有传动副引起的传动误差及传动间隙。如齿轮副，螺旋副等。以教学设备的滚珠丝杠螺母副为例说明。滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙，滚珠丝杠螺母副处于传动链末级，其传动误差直接影响平台的定位精度。当丝杠转动时，螺母随着丝杠的转动做直线运动。螺母的实际运动曲线与理想运动曲线之间的最大差值为其传动误差。主要由于螺旋副本身的制造误差如螺距累积误差、螺纹滚道型面误差、直径尺寸误差、螺旋副的装配误差及其在装置上的安装误差等综合形成。其中最主要的是螺距累积误差。滚珠丝杠螺母副的接触变形比滑动副大，其引起的误差影响传动精度和间隙。润滑、摩擦条件、表面粗糙度及材料质量、热处理硬度等都有影响。增大预紧力可以提高接触刚度，但会增大摩擦温升，引起热变形，因此预紧力要合理取值。热变形影响由于长时间工作，产生摩擦温升引起的热变形造成的定位误差。包括电机发热、滚珠丝杠螺母副、轴承以及导轨副等相对运动部分的摩擦热。负载部分带来的热影响等。有丝杠和螺母相对运动产生的热伸长严重影响定位精度。热伸长与材料热膨胀系数、温升、平台行程有关。如温升为3，行程为100mm，材料为GCr15钢，其热伸长量为：导轨的误差导轨副的导向精度对开环和闭环系统都非常重要。当导轨副的导轨面存在直线度误差、平面度误差、两导轨间的平行度误差，导轨导向面的V形角误差及滚动体的形状、尺寸误差时，都会使运动体不能沿给定方向直线运动，产生运动轨迹非直线性，使运动体颤摆（上下摆动）或摇摆（左右摆动），产生导向误差，直接影响定位精度。滚动导轨中滚动体的接触变形影响也较大，通过适当的预紧，增大接触刚度可以减小其影响。以上各种因素中，由固定不变的或按规律变化的因素引起的定位误差是系统性误差，如导轨的形位误差、齿轮分度误差、丝杠的螺距误差等。由不确定的，随机变化的因素引起的误差是随机性误差，如轴承游隙的变化量、摩擦力变化、表面粗糙度不均引起的误差等。机械系统中各种机构间隙、结构弹性变形等综合形成的反向运动时的矢动量（反向间隙），是定位误差中系统性误差的一个组成部分。（2）闭环系统的定位精度闭环系统由于在移动台上安装了位置检测装置，把位移信号反馈到输入端与输入信号进行比较，实现对运动的反馈控制，因而各部分的误差对平台的定位精度没有直接影响。定位误差主要取决于位置检测系统的误差，如分辨率，线性度等，以及由于检测元件的安装调整引起的误差，包括如安装倾斜、自重变形、短尺接长等产生的检测误差和安装中检测元件离被测物体距离太远引起的阿贝误差。闭环系统中的矢动量虽不直接影响定位精度，但实际上过大的矢动量会造成伺服系统的动态不稳定和振荡，使系统的性能下降。因此，闭环系统对机械系统的精度要求要高，一般轮廓控制的闭环数控机床的矢动量控制在4。半闭环系统的定位精度由于只在电机轴上安装的反馈元件，因此其反馈实现的控制精度只能局限在驱动环路部分，环路之外的丝杠、螺母副、和平台本身所有传动误差、制造误差、热变形等引起的误差不能由环路所矫正。因此，针对不同系统，可以在机械设计制造过程中和电气控制系统控制中采取相应措施，以提高系统的定位精度。2. 提高定位精度的措施因为系统性误差在总误差中占较大比重，必须采取措施减小系统误差来提高系统定位精度。主要采取的两种最基本的方法是：（1）从误差产生的根源采取措施如从结构设计和制造及在安装上提高精度。（2）采用误差补偿的方法采用电气补偿或软件补偿的方法补偿。 定位误差补偿方法a. 定位误差补偿原理：人为地制造一个与原误差大小相等、方向相反的误差去补偿修正原有误差。即 式中：各定位点的定位误差值，误差修正值。只要实测出各坐标轴的定位误差后，就可以确定误差修正值对空间或平面任一点的定位误差进行补偿。一般用于补偿系统误差，因为系统误差总是大于随机误差，可以取得显著效果。b. 电气补偿法在控制系统中设置相应的间隙补偿电路和螺距补偿电路以达到误差补偿的目的。具体实现请参考相关文献。c. 软件补偿法利用软件进行计算机辅助补偿的方法消除定位误差，可以包括螺距累积误差补偿、方向间隙误差补偿及热变形误差补偿。还可以根据定期测定的定位误差值，补偿由于磨损等引起的精度损失。灵活性大，补偿量可以方便地改变。四、实验要求：1. 实验前要首先了解机电一体化系统组成的有关知识；2. 熟悉AS-100教学设备的使用及常用各种操作；熟悉测试仪器的使用；3. 实验前复习定位精度有关知识，了解定位精度的方法，重点复习误差补偿的原理和方法；4. 本实验必须在控制系统伺服环调整的特性非常好的情况下执行，否则影响补偿精度甚至看不出效果；5. 本实验最好使用平台（机械运动体）上直接安装位置反馈元件，反馈实际位置；6. 实验前需要调整每台机器的伺服环，使之响应特性良好。若无高精度位移检测仪器，则该实验可能达不到预期效果。测量不出真正的定位误差，而得到的是测量误差。五、实验特点：由于机电一体化技术是综合机械工程学科和电子工程学科、控制工程学科以及信息工程学科等多学科的综合技术，通过本实验的认识和操作，可以使学生对机电一体化系统设计内容和流程有总体的认识，使所学的抽象的理论知识与实践紧密地结合在一起，进而确立机械与电子及相关技术的相互渗透和有机融合，而不是这些技术的简单组合，对本课程以后章节的单元关键技术的学习以及系统设计奠定基础。系统精度测量及误差补偿部分使学生了解影响系统精度的因素及误差补偿的方法，初步认识精密机械技术的重要性，具有较强的实践性和实用性，由于本实验综合多门技术的知识，需要掌握较多的相关领域知识，因此为综合型实验。六、实验内容： 内容一、机电一体化系统的组成及功能部件通过对典型机电一体化系统的功能及组成的认识实验及分析，使学生认识到机电一体化系统设计的基本内容，进而确定系统设计的基本流程，具体如下：（1）认真分析系统操作目的，确定系统的操作功能；（2）然后根据系统操作功能确定系统的工作机构和运动组合顺序；（3）确定操作力的大小和方向，并据此确定动力源和驱动装置；（4）选择并确定控制所需检测参数的各种传感器；（5）确定控制算法和控制系统，用框图或流程图来表达所要控制的目标；（6）对上述各项进行机械、电气、硬件和软件的设计；（7）必要时进行模拟仿真，对算法和系统进行检验。内容二、定位精度测量实际定位误差包括系统性误差和随机性误差两类。对于某一目标位置，当移动部件沿某一坐标轴从一个方向按给定指令移动时，其实际到达的位置与目标位置之间总存在误差。重复定位的次数越多，误差值越可能呈现出围绕某一平均值的两侧做正态分布，如图3所示，该平均值与目标值之间的位置偏差反映了该移动部件系统存在的系统性误差。误差的离散带宽（分散范围）反映了该系统的随机性误差。在误差呈正态分布的情况下，离散带宽等于6，为均方根误差，计算公式为： 式中： 重复定位（测量）次数（足够大时，） 实测误差值 实测误差的平均值，即位置偏差某点的定位误差定义为该点的位置偏差与该点离散度之和，并取其最大绝对值（取绝对值较大的一个）误差的离散带宽表示了该点的重复定位精度，即重复定位精度为当移动部件从正反两个方向多次重复趋近某一点定位时，正反两个方向的位置偏差不同，即反向时产生了不灵敏区，称之为反向差值（或称矢动量）。如图4为从双向趋近某一定位点时误差分布曲线。从正、反方向趋近定位点时，位置偏差分别为与，反向差值为图3 定位精度示意图图4 双向趋近目标值时的误差分布曲线1. 定位精度测定定位精度一般可以用刻线基准尺和读数显微镜、激光干涉仪、光栅尺、感应同步器等测量工具进行测量。根据国家标准(GB1093189或GB/T17421.2-2000)进行直线运动位置精度检测时，如果行程1000mm，定位点数及定位点测量次数均应5。为了得到某一点的定位精度，需要对该点重复定位若干次（通常为515次，本实验取10次）进行测量以便计算出和。为了得到一个坐标轴的的定位精度，必须随机测量坐标轴上的若干点(本实验取10个)，还要从正反两个方向移动，测量和评定一个坐标轴的定位精度。2. 实际测量定位精度计算（1）轴线重复定位精度由于实际测量中测量次数较小（本实验），宜用下式计算标准偏差值代替各测量点的重复定位精度为 式中：=（1，2，3，），为坐标轴上各测点的位置序号。轴线重复定位精度为各测点重复定位精度中的最大值：即 （2）轴线的定位精度A：轴线的定位精度为从正反两个方向趋近各目标位置时，、中的最大值与、最小值之差即 轴线反向差值B：为目标位置反向差值中的最大绝对值 七、实验步骤：（一）定位精度、重复定位精度测定与分析1、 打开计算机和教学设备电源。2、 运行PMAC执行程序PEWIN32。3、 检查系统伺服环参数和响应特性，确保系统特性良好。4、 先让电机X回零，并在终端窗口发送“#3HMZ”，将当前光栅位置清零。5、 运行自动程序3，X轴电机将自动往复间隔运行，每15mm停一次，共走10个点，往复3次。在电机停止时，利用光栅读出当前实际位置（速度稳定后，光栅读数是1个脉冲代表1微米）。6、 计算所测点绝对位置精度、重复定位精度，求出R，A，B值。（二）反向间隙补偿接上步骤，运行PMAC执行程序PEWIN32。1、 检查系统伺服环参数和响应特性，确保系统特性良好。2、 先让X轴电机走到中间位置，发送“#3HMZ”，将当前光栅位置清零。3、 在终端窗口发送“#1j:8192”指令，让电机正转一圈，记录下此时光栅的值。然后发送“#1j：-8192”反转一圈，记录下此时光栅的值。4、 计算得到X轴正反转所产生的误差W（光栅读数，单位微米）。将W值换算成X轴电机的脉冲个数，即W*1.6384（向X轴电机发送1.6384个脉冲，X轴走1微米）,由于PMAC补偿的单位是1/16个脉冲，所以最终要补的数据V=W*1.6384*16。在终端窗口键入“IX86=V”，“IX85=5”。5、 重复3、4两步，观察光栅尺正反转后反馈值的变化。八、实验报告要求：机电一体化系统的功能部件和精度测量、误差补偿实验报告报告日期： 年 月 日班级 学号 姓名 根据实验结果填写以下表格并进行结果分析，写出实验报告。定位精度测定（X轴）定位精度主要检测项目指令值实际值误差值轴线重复定位精度R轴线的定位精度A轴线反向差值B九、实验考核要求：课程期末总成绩=平时考勤成绩+平时作业成绩+实验成绩+考试成绩。实验考核总体分为三部分：实验预习：20%；实验操作：50%；实验报告质量：30%。十、实验参考资料：1. 陈林才，张鄂. 精密仪器设计. 北京：机械工业出版社，1991.2. 张建民. 机电一体化原理与应用. 北京：国防工业出版社，1992.3. 李建勇.机电一体化技术.北京：科学出版社，2004.十一、思考题：1、 开环控制、半闭环控制以及闭环控制有哪些原理上和实际接线的不同？2、 详述机电一体化系统的结构组成和工作原理。3、 什么是定位精度，精密平台的定位精度用什么指标表示？ 4、 如何测量一个坐标轴的定位精度？5、 本实验机定位精度的影响因素有哪些？采取了那些措施来提高系统定位精度？ 6、 预紧力调整对定位平台精度有什么影响？7、 导轨装配平行度对平台有什么影响？8、 PMAC对机械平台有何补偿作用？9、 定位精度和重复定位精度有何区别？10、 平台定位误差的来源有哪些？11、 双稳定反馈在精度控制方面有什么作用？12、 减小误差的方法有哪些？如何实现？13、 什么是系统的传动间隙，它是什么原因产生的。14、 在PMAC控制器中如何对间隙误差进行补偿？实验二、交流伺服电机控制方式及伺服驱动原理及特性实验一、实验目的：（1）了解交流伺服驱动器控制方式及接线。（2）熟练进行交流伺服驱动器的参数修改及手动操作（3）了解永磁同步驱动系统的控制原理；（4）掌握永磁同步驱动系统的空载调节特性及负载特性二、实验设备或软件：1、 AS-100教学设备一台。2、 计算机一台，PEWIN软件。3、 AS-100教学设备附件永磁制动器1套。三、实验原理：内容一、交流伺服电机的控制方式目前常用的交流伺服驱动器多为智能型驱动器，即除了电流放大作用外，也存在简单的控制功能。一般的永磁同步伺服电动机即AC伺服电动机有位置（脉冲）控制、速度（模拟量）控制和转矩（模拟量）控制以及复合控制，控制方式的选择取决于系统的要求。它们的主要区别在于控制信号是一个什么指令以及使用的哪一环进行闭环（相对于驱动器，如图5所示）。位置控制时，控制信号是一个位置指令，速度环2、电流环1都是内环；速度控制时，控制信号是一个速度指令，位置环1没有接进来；转矩控制时，控制信号是一个转矩（电流）指令，位置环1和速度环2都未接入。复合控制用于一些特殊场合，或者先位置控制，后速度控制，或者先速度，后转矩控制。由于控制方式不同，控制信号及驱动器参数设置，外部接线都不一样。位置控制信号大都是脉冲加方向信号，而速度和转矩指令大都是模拟电压信号。1位置环2速度环电机3电流环位置指令速度指令电流指令互感器编码器电流反馈速度反馈位置反馈图5 交流伺服电机的控制方式 内容二、交流伺服控制原理永磁同步电机是由永磁材料制作的转子和通三相交流电源产生旋转磁场的定子构成。目前常用的永磁同步伺服驱动的调速主回路采用矢量变换SPWM变频控制方式。矢量变换的基本思路是将定子电流分解成励磁电流和转矩电流，在调速过程中保持转子磁链（即定子的励磁电流分量）不变，此时交流电机的调速原理就和直流电机相同了，这样就可以通过改变供电电源的频率即PWM控制来实现调速了。AS-100教学设备采用的富士交流伺服电动机，驱动器也是采用矢量变换正弦波PWM控制方式，由内部微处理器对定子电流进行矢量变换运算，然后进行PWM调制来调速。其控制原理方框图如图6所示，控制框图只画出了速度环和电流环部分。光电编码器产生的脉冲信号经速度解码器处理成数字信号直接送到CPU，在数字调节器中与速度给定信号进行比较运算（PID）后产生三相交流的电流幅值信号IM。为了提高速度调节品质，现在的驱动器大都采用了以下两项关键技术：一是在速度解码器中采用M/T测速方法，即在电动机高速运转时，通过记录单位时间内的脉冲个数来实现速度测量，而在电动机低速运转时，通过记录两脉冲之间的时间长短来实现速度测量。这样无论是在高速或低速时都能很准确的测定电动机的转速。二是数字调节器算法中采用先进的滑模算法，这种算法根据电动机在高速和低速运行状态上的不同特性，分别给定不同的PID调节参数，使各阶段的参数都能得到优化。这样就使电动机在低速运行时平稳性好，高速时跟随误差小，富士伺服驱动器采用了这种算法。图6 交流伺服控制原理为生成三相交流电，需通过乘法器将电流幅值信号IM与电动机转子位置信号通过矢量乘法运算来合成（按以下公式）。位置信号由光电编码器产生的脉冲信号经位置解码器处理成数字的电动机转子角位置。iu=IMsiniv=IMsin(+120o)iw=IMsin(+240o)当三相电流获得后送入电流调节器同反馈回来的电流信号进行比较运算后经PWM调制后到驱动电路，最后驱动伺服电动机工作。除了这些基本结构外，电路中还加入了故障处理和保护环节，如过压、欠压、过流、断相及电动机过热等硬件检测及保护电路。一旦出现故障将通知CPU并封锁输出。同步电机转子转速与定子旋转磁场的转速相同，当电源频率不变时，同步电动机的转速为常数，与负载无关。（f为电源频率，p为转子磁极极对数）同步电机的转速正比于电源的线电压（在额定速度以内，超出额定速度时由于弱磁控制，电压将被嵌位于定值），这就是永磁同步伺服电机的调节特性。如图7所示：交流永磁同步电机在额定速度以内具有恒转矩的特性，超出额定速度后，由于弱磁控制，具有恒功率的特性。这样在额定速度以内，负载一定时，交流永磁同步伺服电机就不像步进电机、直流伺服电机一样，随着速度的增加，输出转矩下降。这样的特性非常适合于恒转矩类型的负载，比如机床的进给系统。交流电机的输出功率计算公式为: （W：单位瓦，V：单位转/分，N：单位牛.米）由上式可以看出，在负载一定时，伺服电机的输出功率同速度成正比。交流伺服驱动器输入功率计算公式为： （U：线电压，I：线电流）四、实验要求：1、 操作时请注意安全，不要造成短路以及接触电源动力线。2、 详细阅读伺服驱动器操作说明及本书后控制方式的接线参考图。3、 熟悉富士交流伺服的相关参数设定。4、 熟悉富士交流伺服驱动器做位置、速度、转矩控制时的接线以及相关参数设置5、 复习交流伺服电机的空载调节特性和机械特性。6、 每次读数需等到速度稳定后再读。五、实验特点：交流伺服电机控制方式及伺服驱动原理及特性实验综合应用了伺服驱动技术、自动控制技术和机械电子技术等多学科的综合知识，通过本实验加深学生对理论知识的理解，并增强动手能力和综合实践能力。交流伺服电机控制方式实验学生可通过改变接线来实现伺服驱动器控制方式的改变，在实际操作中理解伺服驱动器的各种操作模式，通过这些操作（手动正反转及速度调整）理解交流伺服驱动器相关控制参数的设定，掌握伺服驱动器进行位置、速度以及转矩控制时的参数设置。通过伺服驱动控制原理及特性实验了解永磁同步驱动系统的控制原理，掌握永磁同步驱动系统的空载调节特性及负载特性，进一步加深机电一体化系统中伺服驱动系统知识的理解和实际应用，可培养学生综合运用所学知识和实验方法、实验技能，分析、解决问题的能力因此本实验为综合型实验。六、实验内容：内容一：富士交流伺服驱动器参数调整及操作应用富士交流伺服驱动器接线图可以参见图8，由于AS-100系列教学设备选用的是单相200V的电源供电，所以主电源只需要接L1、L2，控制端子CN1用于接受控制指令以及数字IO，编码器输出等；控制端子CN2用于接受编码器反馈；CN3A、CN3B为通讯接口（同上位机以及驱动器之间通讯）；CN4为模拟量监视输出。CN1主要接口说明：P24、M24：用于为驱动器控制电路提供DC24V电源；CONT1：如果该端子和控制电源地（M24）相连，则伺服驱动器将允许工作，如果断开，则驱动器禁止输出。该信号已做连接，用于急停按钮（此端子功能由伺服驱动器参数定义，缺省定义为伺服ON）；CA、*CA、CB、*CB：本端子用于位置控制时的信号输入（脉冲及方向信号）；Vref、M5：用于控制信号输入，本端子用于速度控制或转矩控制时的信号输入；FFA、*FFA、FFB、*FFB、FFZ、*FFZ：编码器脉冲输出端，富士伺服驱动器可以将码盘反馈回来的脉冲信号同步的发送给其它的控制器，AS-100也采用了这种接法，可以将反馈的脉冲同时送到驱动器和PMAC控制卡中。图8 富士交流伺服驱动器接线图CN2主要接口说明：该端子为富士伺服电机码盘反馈信号输入端，AS-100中该端子已经连接妥当。伺服驱动器操作：富士伺服驱动器的操作面板上有4个按键：MODE/ESC、SHIFT/ENT、，其中、键用来调整数值大小，SHIFT/ENT键用来确认参数及操作模式以及修改数值时用来进行移位操作，MODE/ESC键用来切换操作模式以及退出当前模式。富士驱动器的操作模式有以下几种：顺序监控模式（缺省SN01,顺序模式）：用来选择监视内容，即是在数码管中显示顺序模式、报警记录、站号等；监控模式（缺省ON01，显示反馈速度）：用来在数码管中显示速度、转矩、脉冲频率等；参数编辑模式（缺省PN01，1号参数）：用来调整驱动器的各种参数。按、来选择要调整的参数号，选定参数号后，按ENT键1秒以上，当数码管闪烁时表示参数已经写入；许多参数需要再次上电后方可生效。试运行模式（缺省FN01，手动运行）：用来进行试运行操作，手动运行、自动增益调整、参数初始化等。常用相关参数：在富士驱动器中有许多参数可以调整，其中重要的参数有以下内容：02号-输入脉冲形式：用于选择位置控制时脉冲输入的形式，0-脉冲+方向、1-正/反双路脉冲、2-相位差90度的双路脉冲，缺省是1，在AS-100系统中，PMAC控制器输出脉冲+方向信号，所以如果伺服做位置控制，需要将此值改为0（需要断电重启后有效）；05号-调整模式：用于选择驱动器PID调整模式，0-根据负载变化自动调整、1-半自动调整（负载惯量不变）、2-手动模式，缺省值0；06号-负载惯量比；09号-控制模式切换：0-位置控制、1-速度控制、2-转矩控制、3-位置/速度控制、4-位置/转矩控制、5-速度/转矩控制，缺省值0（改变后需断电重启有效）；30号-数码管初始显示：用于调整驱动器上电后显示何种状态，如速度、位置等；31号-手动运行速度，缺省为100RPM；35号-加速时间；36号-减速时间；40号-位置增益1；41号-速度应答1；42号-速度积分时间。七、实验步骤：内容一：交流伺服电动机结构及特性1、 关机，查看电动机及驱动器铭牌，记录相关型号。2、 查找伺服驱动器说明，找出该电动机及驱动器型号，记录其主要参数。3、 分别画出电动机作位置（脉冲加方向方式）、速度、转矩控制时与驱动器连接图，对照原理框图，说明其信号传递过程。内容二：伺服驱动器基本操作（手动正反转及速度调整）1、 首先按照实验指导书附图交流伺服位置控制的接线图接线，按照检测元件应用的实验要求连接好外部的限位回零（机箱同电机之间）、X轴的编码器以及电源动力线、PMAC控制器同控制机箱的连线。2、 打开控制柜电源，观察并调整伺服驱动器的一些重要参数：输入脉冲形式（02号参数）、控制模式（09号参数）、手动运行速度（31号参数）。操作方法：按MODE/ESC键至PN01参数编辑模式，然后按ENT键1秒以上进入参数列表，按、来选择要观察的参数号，找到后再按ENT键1秒以上可以观察当前值并做记录。3、 手动运行操作，操作如下：先按MODE/ESC键退出参数编辑模式，进入FN01试运行模式，然后按ENT键1秒以上，进入JOG模式，此时伺服使能，然后按、键进行手动正反转控制。如果需要修改手动速度，请进入参数编辑模式，修改31号参数手动速度再执行手动操作。还可以调整35、36号参数来修整伺服电机运行的加减速时间。内容三：驱动器速度控制1. 由于AS-100系统里，伺服驱动器的缺省控制模式为位置控制，所以先切换到参数编辑模式，将驱动器当前控制方式（09号参数）设置为1并写入驱动器并且重新断电启动（X、Y两轴）。2. 关掉计算机及控制机箱的电源，连接控制卡的模拟量输出和X轴的模拟量输入、模拟地及参考地、编码器线等。3. 打开控制机箱及计算机电源，首先需要进行零漂调整。按MODE/ESC键进入试运行模式，通过、键选择FN07，按ENT键1秒钟进行自动零漂调整。4. 调整结束后，运行PEWIN软件，点击BACKUP菜单下的子菜单Restore Configuration将机器附带光盘中的VelocityControl.cfg文件载入到PMAC卡中。5. 此时就可以通过控制机柜上面板的操作按钮对系统进行操作，体会位置控制与速度控制的不同之处。6. 实验结束后，将驱动器参数恢复原值，重新下载PositionControl.cfg文件到PMAC卡中，断电后按照位置控制方式连接好连接电缆。内容四：交流伺服电动机极对数计算及伺服驱动空载调节特性1. 查看伺服电动机资料，计算该款伺服电机转子极对数。2. 连接好AS-100伺服系统的电缆，打开计算机，运行PEWIN软件。3. 在PEWIN软件终端窗口输入I122，查看X轴电机手动运行速度并记录。4. 选择“手动”，按“JOG+”按钮，当速度稳定时，观察线电压表、有功功率表的读数，并做记录。5. 在PEWIN软件终端窗口修改I122的值（X轴手动速度），逐渐增加或者减小，重复步骤4、5五次。6. 以手动速度为X轴，线电压（左轴）、有功功率（右轴）为Y轴，作图，并总结规律。内容五：伺服驱动器负载特性实验1. 接上一实验，将“急停”开关按下，在X轴平台尾端安装上永磁制动器（可以通过旋转调整盘来调整制动力矩的大小），拧紧螺钉然后将“急停”复位。2. 查看I122的值并记录，按“JOG+”按钮，观察电压电流、功率表并记录。3. 改变I122的值，调整速度，重复上一步的操作。4. 再次重复1、2、3步五次并做记录，得出负载力矩、手动速度、线电压、线电流、有功功率之间的关系。5. 实验结束后，将永磁制动器拆卸掉。八、实验报告要求：交流伺服电机控制方式及伺服驱动原理及特性实验报告报告日期： 年 月 日班级 学号 姓名 1、 按照实验内容四所作记录填写下表：有功功率表读数(W)线电压读数(V)手动速度(RPM)交流伺服驱动空载调节特性图2、按照实验内容五所作记录填写下表：负载力矩(估值)线电压值(V)线电流(A)有功功率(W)手动速度(RPM)交流伺服驱动负载特性曲线图九、实验考核要求：期末总成绩=平时考勤成绩+平时作业成绩+实验成绩+考试成绩。实验考核总体分为三部分：实验预习：20%；实验操作：50%；实验报告质量：30%十、实验参考资料：1. 张建民. 机电一体化原理与应用. 北京：国防工业出版社，1992.2. 李建勇.机电一体化技术.北京：科学出版社，2004.3. 张建民，唐水源，冯淑华. 机电一体化系统设计. 北京：高等教育出版社，2001.4. 李成华，杨世风，袁洪印. 机电一体化技术. 北京：中国农业大学出版社，2001.5. 补家武，左静，袁勇，吴来杰. 机电一体化技术与系统设计. 北京：中国地质大学出版社，2001.6. 富士伺服系统FALDIC-W Seris用户手册。十一、思考题：1、 富士伺服驱动器的操作模式都有哪几种？2、 通过改变哪些外部接线和内部参数实现复合控制方式，富士伺服的复合控制方式都有哪几种？3、 分别画出富士交流伺服驱动器做转矩、速度、位置控制的接线图。4、 简述永磁同步交流伺服驱动控制原理。5、 永磁同步伺服驱动的空载调节特性及负载特性是怎样的？6、 如何修改电机的手动速度？7、 如何实现工作台的位置、速度控制，实际接线有何不同？8、 富士交流伺服驱动器的接口有哪些？实验三、机电一体化系统检测元件及核心运动控制器的应用实验一、实验目的：检测元件的应用实验通过几种常用的位置型传感器的应用和信号处理方法的实验，使学生理解数字增量编码器的角度测量、T法测速的工作原理以及数字和模拟测量信号的处理方法，掌握回原点方式及其对回原点重复精度的影响，从而确保XY工作台的控制精度。机电一体化系统核心运动控制器的应用实验使学生掌握机电一体化技术的核心控制器的结构组成及其运动控制和过程控制功能，熟悉PMAC的硬件接口及PEWIN软件的应用，通过PEWIN软件访问PMAC卡中寄存器的方法，能够通过软件备份、恢复所有相关参数，设置相关参数并保存，掌握运动程序及PLC程序的上载下载方法，监测卡中各寄存器（变量）的状态或其中的数据、在线检查变量的内容或变量所指向的地址，并实时监测PLC程序和运动程序的运行情况。在给定某一任务后，学生能够自行进行运动、加工程序的编制和数控编程，并进行程序的调试、运行及结果演示。二、实验设备或软件：1、 AS-100教学设备一台；2、 计算机一台；3、 PEWIN软件一套；4、 双踪示波器一台。三、实验原理：内容一、检测元件的应用根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。硬件一般包括输入/输出设备、显示器、可编程控制器和数控装置。机电一体化产品要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。常用的检测元件包括光电编码器、旋转变压器、感应同步器（电栅）、光栅、磁栅、激光干涉仪、磁致伸缩传感器等，以光电编码器和光栅为例，对传感器的原理进行实验分析。1. 编码器工作原理光电编码器是利用光电原理把机械角位移变成电信号，可以非常方便的测量电机轴的角位移，还可以测量轴的转速。按输出信号与对应位置（角度）的关系，光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器及混合式光电编码器三类。增量式光电编码器每产生一个输出信号就对应一个增量位移角，不能直接检测轴的绝对角度。绝对式光电编码器则通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置，可以直接读取角度坐标的绝对值。混合式光电编码器则是增量式和绝对式共有的编码器。光电圆盘与被测轴连接，光线通过光电圆盘和遮光板的缝隙，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，在A、B光敏元件上产生近似于正弦波的电流信号，经放大整形电路变成相位相差90的方波信号，如图9所示。轴每转动一圈，只产生一个C相脉冲，用作参考零位的标志脉冲，在数控机床的进给控制中，C相脉冲用来产生机床的基准点。A相和B相的相位差可用作电机的旋转方向判别，若A相超前于B相，对应电机作正向运动；若A相滞后于B相，对应电机作反向运动。若以该方波的前沿和后沿产生的计数脉冲，可以形成代表正向和反向位置的脉冲序列。在实际应用中，为了提高编码器信号的传输能力和抗干扰能力，每一相都以差分形式输出，即每相都有一个和该相相位差180的脉冲序列输出，如A相有A/相一起差动输出。增量式光电编码器的分辨率为：分辨率，分辨角（式中：为每转脉冲数，即圆盘上的条纹数或称线数）。（1）编码器测速原理：在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种：在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速；测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。以上三中测速方法中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率；而M/T法则无论高速低速都适合测量。PMAC控制器采用的是T法测速。T法测速的原理是用一已知频率fc（此频率一般都比较高）的时钟脉冲向一计数器发送脉冲，计数器的起停由码盘反馈的相邻两个脉冲来控制，原理如图9所示。若计数器读数为m1，则电机每分钟转速为 nM=60fc/Pm1(r/min) 图9 T法测速原理其中P为码盘一圈发出的脉冲个数即码盘线数。m1值赋予变量M106-Y:$C000，0，24 U为脉冲个数fc=10MHz测速分辨率：当对应转速由n1变为n2时则分辨率Q的定义为Q=n2-n1，Q值越小说明测量装置对转速变化越敏感即分辨率越高。因此可以得到T法测速的分辨率为：由上式可见随着转速nM的降低，Q值越小，即T法测速在低速时有较高的分辨率。（2）、回零精度的保证：W1W0编码器C脉冲机械原点信号图10 原点开关和编码器C信号组合保证回原点的精度回零（也称回参考点）精度对于系统来说非常重要，因原点是系统的基准，如果基准的精度无法保证，则系统精度就更加无法保证了。回原点的重复精度十分重要，若每次回原点的位置总是差别很大，那系统无精度可言。用普通的机械开关、光电开关、磁力开关作为原点开关是无法保证回原点的重复精度的，如果回原点的速度快慢变化，这种开关带来的误差是相当大的。所以在许多精密定位系统中通常采用原点开关和编码器的C信号组合使用以保证回原点的精度，如图10所示，W0为机械原点开关的信号有效宽度，W1为码盘C信号的有效宽度，显然，靠机械原点作为回零信号不准确且同回零速度有关系，用编码器C脉冲作为原点比单纯用机械原点开关作回零信号准确得多。但由于电机转一圈发送一个C脉冲信号，对于增量编码器，多圈运动就有多个C脉冲，仅用C信号对于多圈运动回零是不行的，所以就采用C脉冲同机械原点组合回零，寻找机械原点高电平+C脉冲上升沿就可做到准确回零并且其回零重复精度不受回零速度影响。2. 光栅尺工作原理：图11 光栅尺的结构和光学原理光栅尺的结构和光学原理如图11、12、13所示。光栅尺由刻有窄的等间隔线纹标尺光栅和读数头组成，读数头由与标尺光栅光刻密度相同的指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅和指示光栅以一定间隙平行放置，并且他们的刻度线相互倾斜一个很小的角度，标尺光栅固定不动，指示光栅沿着与线纹相垂直的方向移动，光线照射在标尺光栅上反射（或透射）在指示光栅并发生光的衍射，产生明暗交替的莫尔条纹，光电探测器检测莫尔条纹的变化并将其转化为光电流输出给控制装置。图12图13 莫尔条纹内容二、核心运动控制器的应用PMAC即Program Multiple Axis Controller（可编程多轴运动控制器）作为运动控制的核心控制器，具有强大的功能和可靠性，可通过不同配置来控制任何形式的电机和接收大多数位置和速度等反馈元件的反馈信号，支持多种总线结构并可通过串口与主机进行通讯。PMAC卡具有优秀的运动控制和过程控制功能，拥有开放的接口和数据交换功能，故其具有良好的开放性，另外其硬件具有扩展功能，因此有较好的适用性和灵活性。AS-100教学设备使用的PMAC2A-104这种开放式运动控制器是一块四轴卡，总线形式为PC104，可同时控制四个伺服电机或者步进电机联动。其配置及所具备的功能如下：40MHz Motorola 563000 DSP CPU；4路D/A通道，用以发送模拟速度或转矩指令；4路编码器反馈通道，可直接接收4路增量码盘的反馈；4路PWM信号输出，可输出脉宽调制信号和脉冲信号；强大的运动控制功能、过程控制功能、数据交换功能等。（一）硬件结构特点：如图14所示为8轴PMAC卡的原理框图，由图可知该控制卡实际上是一个非常专业的计算机，有数字处理的CPU，有大容量的存储介质包括EPROM，SRAM以及闪存等，数据地址总线为48位线宽，通讯方式有总线、串口、双端口RAM以及光缆等，由专用的伺服控制芯片（门阵列芯片）控制各种伺服电机的运动及接受编码器的反馈。上位机通过动态链接库及虚拟设备驱动程序同PMAC卡进行通讯。图15所