伺服驱动器原理及应用培训参考文档

一 电流环二 速度环三 位置环四 主回路五 动态制动六 再生七 伺服选型 1 一 电流环 功能图 2 一 电流环 电流传感器电流传感器CT1和CT2在电流环中的作用就是感应通过电机的电流 并且将它转换为一个模拟电压信号 然后这个模拟电压信号经过PWM转换电路到ASIC 在这里只需要2个电流传感器 因为CPU能够根据公式Iu Iv Iw 0计算出W相的电流 3 一 电流环 功率晶体管在电流环中包括6个功率晶体管 EDB伺服驱动器中使用的是IPM 智能功率模块 内置有6个IGBT及其驱动电路 另外 还包括过流检测 过热检测 EDB 05使用了15A的IPM EDB 10 15使用了30A的IPM EDB 20使用了50A的IPM EDB 30 50使用了75A的IPM 4 一 电流环 CPUCPU比较电流指令和电流反馈 作为结果的波形送入放大器 再经过PWM后将信号送到功率晶体管 5 一 电流环 PWMPWM 脉宽调制 是一种将模拟信号转换为数字信号的方法 在模拟信号上加上一个载波频率 其大小依赖于功率模块的开关次数 每当模拟信号与载频波形交叉时 PWM输出就发生一次转换 一系列的转换就形成了方波信号 其表现为模拟信号的平均值 相当于该信号的数字形态 6 二 速度环 功能图 7 二 速度环 P PI控制 8 三 位置环 功能图 9 三 位置环 脉冲指令我们通过Pn008选择脉冲指令形态 Pn009的bit0 bit1被设定为0表示正逻辑 上升沿 为1表示负逻辑 下降沿 10 三 位置环 平滑功能平滑功能是对脉冲指令进行加速度 减速度处理 在以下几种情况下使用 1 上位机无加速度 减速度功能 2 脉冲指令频率太低 3 电子齿轮比太高 超过10 1 11 三 位置环 前馈功能前馈功能缩短定位时间 前馈将使实际运动轮廓逼近指令运动轮廓 通常前馈增益Pn017设定在80 以下 对于大多数机械 设定超过80 将会引起振动 使用前馈滤波Pn025可以减小振动 12 三 位置环 偏置功能通过分配偏置 设定偏差脉冲 到速度指令输出可以减小最终的定位时间 该功能将使实际运动轮廓逼近指令运动轮廓 13 四 主回路 主电容充电在主电容充电中 我们看到一个继电器 RLY1 使用这个继电器是出于安全的目的 它保护这个电路并且限制上电时主电容C1的充电电流 14 四 主回路 P N电压在DB1上的P N电压是供电电压的有效值 即右图中P点的电压读数是310V V RMS 220V 1 41 310V 15 五 动态制动 动态制动的方法通过动态制动使电机突然停止的方法有两种 1 通过短接电机U V W相的绕组 2 将转子能量消耗到电阻上 16 五 动态制动 动态制动是如何发生的 第一种情况 双继电器版本的EDB伺服驱动器的动态制动电路使用一个继电器造成电机绕组短路 从而使电机紧急停机 当用在大功率伺服上时这种方法不是很安全 17 五 动态制动 动态制动是如何发生的 第二种情况 1 5kW以下的EDB伺服驱动器的动态制动电路虽然是通过一个继电器动作的 但实际上是用一个动态制动电阻消耗电机转子能量 这种方法使电机有一个较长的减速时间和平滑的停机 18 五 动态制动 动态制动是如何发生的 第三种情况 2kW以上的EDB伺服驱动器的动态制动电路通过一个可控硅代替继电器动作 这是与1 5kW以下的伺服驱动器唯一不同的地方 电机转子能量也是消耗在动态制动电阻上 这种方法也使电机平滑的减速 19 五 动态制动 动态制动何时发生 ServoOff 动态制动打开以保证安全 ServoOn 动态制动关闭 伺服驱动器进入ServoOff状态 当 1 S ON输入信号关闭 2 超程 3 伺服报警发生 4 主电源关闭 当以上事件发生时 我们能够通过设定参数Pn004指定电机如何停机 20 五 动态制动 使用可控硅的动态制动2 0kW以上的伺服驱动器都使用了可控硅触发动态制动 以此替代继电器 但是需要注意的是 如果控制电源关闭 使用可控硅的伺服驱动器的动态制动功能也将关闭 而使用继电器的伺服驱动器 掉电或报警时保持动态制动状态 21 五 动态制动 动态制动电阻为了使动态制动电路工作 必须有一些消除电机转子能量的途径 这就是动态制动电阻的作用 这个电阻消耗了电机的能量 从而使电机快速停止成为可能 然而 有些伺服驱动器 如双继电器版本 内并没有动态制动电阻 那是因为电机绕组的阻抗已经足够用于制动了 22 六 再生 再生是在电机减速过程中的一种动作 此时电机等效为一个发电机 再生吸收了旋转负载的动能 并将它转化为电能 回馈到驱动器 23 六 再生 再生的目的再生有两个主要功能 1 消耗运动负载的惯性能量 2 快速地对主电容 C1 放电 当一套EDB伺服系统运行在额定转速并且带着允许的最大负载惯量 EDB伺服驱动器必须吸收停止负载时产生的全部能量而不损坏系统 如果系统运行在超过额定转速或者带着超过允许的最大负载惯量 那么必须有外部再生 再生值依赖三个因素 转矩 减速度和运动周期 这个值通常在选型软件中计算并且显示为电阻功率 然而 如果需要也可以手工计算 当再生电路中需要更大的元器件时必须有外部再生 有时 在一些特殊应用中C1或R1的功率不够大 在这种情况下 就需要一个外部的电阻或电容作为内部元器件的补充 24 六 再生 再生的目的EDC伺服驱动器只有电容C1用于内部再生 如果需要外部再生 则需要将外部再生单元接到驱动器的P和N端子上 如果一个系统中有多个这类的伺服驱动器 通过将每一台驱动器的所有P端子连接在一起 所有N端子连接在一起 可能可以增加再生的容量 这相当于将所有的C1并联 但是这必须依赖于对系统执行周期的完整分析 5 0kW以下的EDB伺服驱动器都有内部电阻R1和电容C1 如果需要外部再生 必须由技术服务人员将内部R1去掉 并且在P和B端子上外接电阻 25 六 再生 时序在下面的例子中 假定有200V的电源连接到伺服驱动器 并参考简单的再生电路示意图 一个正常的P N母线电压是283V 200 1 41 当电机开始减速时 回馈到驱动器的能量开始提升P N电压 一些或全部的能量被用于给电容C1充电 然而 如果母线电压超过380VDC 再生晶体管 TR1 就会打开 能量就会消耗到电阻R1上 晶体管实际在380VDC到370VDC循环开关 带负载的减速将需要几个这样的循环周期 当有再生不足时 可能会发生过压报警 A13 表示母线电压超过420VDC 或者发生再生异常报警 A16 表示TR1打开时间太长 一个内部寄存器专用于记录TR1的开 关时间 26 六 再生 时序如果发生了A13和A16报警 我们需要改变再生电阻R1的阻值 我们需要消耗更多的流过电阻的电流量 因为V I R 我们能够通过使用更小的阻值来增大流过电阻R1的电流量 增大电阻功率并不是正确的解决问题的方法 因为流过电阻R1的电流量还是一样的 当改变了电阻之后 我们需要检查再生电路是否满足更小阻值的要求 一旦减小了R1的阻值 就增大了流过它的电流 如果电流增加的太多 有可能超过电阻的额定功率 仅仅此时需要增大电阻的功率 27 六 再生 再生的计算电机产生的能量 En 0 5JM 2 N 60 2 电容消耗的能量 Ec 0 5C Vk2 Vr2 电机绕组消耗的能量 Em 3 JMN 2 Ir 60Tr 2 Ra td 负载消耗的能量 EL 0 5TL 2 Ntd 60 因为所有的能量之和必须为0 所以我们能够计算出电阻必须消耗的能量为Er En Ec Em EL因此我们可以计算出再生电阻的功率为Wr Er Cycle 28 六 再生 再生的计算如果再生电阻的功率超过内部电阻的额定功率 我们必须外加一个电阻以弥补这些差额 正如我们在公式中看到的 电机在停止负载时产生的能量 负载 电容C1 电机绕组 电阻R1都参与了能量的消耗 注意 伺服驱动器不能应用于连续再生模式 29 七 伺服选型 选型是一个针对给定应用选择电机和驱动器的过程 如何挑选一个电机或驱动器 需要考虑速度 转矩 惯量和再生电流等因素 30 七 伺服选型 速度 转矩的波形大多数伺服驱动应用于位置控制 下面是这些应用中的三种 对于位置控制 速度和转矩的波形是很类似的 速度波形下的面积就是距离 31 七 伺服选型 选型的检查点1 速度2 连续转矩3 最大转矩4 RMS转矩5 负载惯量 电机惯量6 再生 32 七 伺服选型 速度检查在大多数情况下 被驱动的电机转速应当低于电机的额定转速 然而 在一些应用中 我们可以超过额定转速达到最大转速 通常 这是轻负载或无负载的应用 当我们运行电机超过额定转速时 我们必须知道驱动的电机转速对应的额定转矩 最大转矩和负载惯量 33 七 伺服选型 连续转矩连续动态转矩是当我们运行在不变的速度时带载情况下的转矩 这个转矩应当不会超过电机的额定转矩 连续转矩 TL 额定转矩 TR 34 七 伺服选型 最大转矩最大转矩是一个应用需要的起动转矩 最大转矩 峰值转矩 TP 连续转矩 加速转矩 需要的最大转矩必须小于最大电机转矩 35 七 伺服选型 RMS转矩RMS 均方根 转矩一定不能超过电机的额定转矩 它的公式是电机选型最重要的公式 注意 电机的发热情况依赖于工作循环和RMS转矩 36 七 伺服选型 允许的负载惯量负载惯量JL应当总是大于电机惯量JM 允许的负载惯量依赖于使用的电机的再生和动态制动 对于小的伺服电机 允许的负载惯量是电机惯量的10 30倍 对于大的伺服电机 允许的负载惯量降到电机惯量的5倍 37 七 伺服选型 再生检查通常 在选型的时候不需要检查再生 然而 有三种情况必须计算再生 如下 1 当驱动的电机转速NL超过额定电机转速NR 2 当负载惯量JL超过它的允许值 3 当应用中有重力因素 垂直负载应用 38 七 伺服选型 选型举例我们将按照下面的步骤为这个应用选择电机 1 计算惯量2 计算负载转矩3 计算速度4 计算加速度5 预估6 计算最大转矩7 计算RMS转矩 39 七 伺服选型 选型举例 步骤1步骤1 计算惯量 为了计算此应用的总惯量 我们必须分别计算联轴器 螺杆 负载的惯量 再把它们加在一起 40 七 伺服选型 选型举例 步骤2步骤2 计算负载转矩 我们使用下面的公式计算负载转矩 41 七 伺服选型 选型举例 步骤3步骤3 计算速度 为了计算电机的速度 我们使用下面的速度公式 这说明我们需要一个电机 它的额定转速至少为1000r min 为这个应用 我们选择EMH型130法兰系列电机 其额定转速为2500r min 这个速度足够我们的应用 42 七 伺服选型 选型举例 步骤4步骤4 计算加速度 为了计算加速时间 我们必须首先参考速度曲线和考虑距离S 43 七 伺服选型 选型举例 步骤5步骤5 预估 现在我们必须为电机确定正确的额定功率 要确定这个值 有2个重要的因素 总的惯量和连续转矩 根据EMH电机的规格 我们预估如下 我们总的惯量 Jtotal JC JS JL 是34 3x10 4Kg m2 这个值不能超过电机惯量的5倍 如果超过了 我们可能会遇到过压报警 因此 我们将选择一个电机 它的惯量要超过我们总的惯量的1 5 EMH 05AP D04电机的惯量是8 5x10 4Kg m2 这个值的5倍是42 5x10 4Kg m2 因为它大于我们总的惯量 所以满足我们的预估标准 然而 我们也必须确信这个电机有足够的带载转矩 因为它的额定转矩是4N m 大于我们需要的1 56N m 所以可以选它