运动基础技术应用 5

任务4.1伺服运动控制系统认知任务导入在自动控制工程、电气工程、智能制造工程、机器人工程的设计、安装、调试和维修等岗位上需要进行伺服系统的设计、配线、程序编写以及调试等工作，这就需要掌握伺服系统的相关知识，具备伺服系统设计、选型、配线、调试技能。任务引入任务目标（1）了解伺服电机的结构和原理。（2）了解伺服驱动器的结构和原理。1.

知识目标任务目标（1）会识读伺服电机和伺服驱动器的铭牌，能够从铭牌中获取相关信息。（2）会识读V90伺服手册，能够根据手册选用伺服电机和伺服驱动器。2.能力目标（1）通过了解我们伺服产品进步，厚植爱国情怀，增强科技报国决心。（2）养成规则意识、标准意识和5S管理的职业素养，培养开拓创新的科学精神。任务目标3.素质目标任务准备“伺服系统”源于英文“servomechanismsystem”，指由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度（力矩、转矩、转矩）的控制。伺服的概念从控制层面去理解，指在控制指令的指挥下执行机构快速平滑、精确地运动。实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。伺服系统概述五轴联动加工机床工业机器人伺服作为高科技产品，在机床、包装、电子设备制造等领域得到了广泛的应用，特别在机床和机器人行业应用最多。党的“二十大报告”指出“加快实施创新驱动发展战略，坚决打赢关键核心技术攻坚战。”我国伺服技术发展迅速，国产品牌：台达、汇川、东元、和利时、埃斯顿、时光、雷赛、步进科技、星辰数控、华中数控、广州数控、大森数控和凯奇数控等，发展迅猛，市场占有率越来越高。伺服电机直流伺服电机交流伺服电机有刷无刷交流伺服电机也是无刷电机，按其工作原理可分为交流永磁同步电机和交流感应电机。交流永磁同步电机以其过载能力强和转动惯量低等优点，使其成为运动控制中的主流产品。西门子SIMOTICSS-1FL6伺服电机是交流永磁同步电机。它分为低惯量伺服电机（200V）和高惯量伺服电机（400V）两种类型。伺服电机的结构和原理交流伺服电机定子转子编码器其他辅助结构伺服电机的结构和原理西门子SIMOTICSS-1FL6伺服电机的编码器有增量式和绝对式两种，图中所示为增量式光电编码器，光码盘旋转输出A、B正交的脉冲，每旋转1周还输出1个零脉冲，增量式编码器对旋转产生的序列方波脉冲计数来检测转轴的旋转角度，它不具有断电保持功能，每次驱动器上电后都需要重新回原点。绝对式编码器沿着光码盘的半径方向检测不同编码的光电信号，轴的机械位置转换成相应编码，掉电可保持位置（无需电池），只需要进行一次编码器校准即可，断电再上电时不需要重新回原点。伺服电机编码的分辨率，是影响伺服电机控制精度的重要因素之一。增量式编码器的分辨率即电机转轴旋转1周编码器发出的脉冲数，与光码盘上的线数有关，因此分辨率也简称线数。对脉冲控制的伺服驱动器，当伺服驱动器的电子齿轮比设为1:1时，控制器发出与分辨率相等的脉冲数，伺服电机转子恰好旋转1周。伺服电机的结构和原理编码电缆/接口动力电缆/接口抱闸电缆/接口伺服电机的结构和原理①电机类型②订货号③序列号④额定力矩⑤静止转矩⑥额定电压⑦额定功率⑧编码器类型与分辨率⑨防热等级⑩防护等级⑪电机运行模式⑫静止电流⑬额定电流⑭抱闸⑮电机ID⑯重量⑰最大速度⑱额定速度伺服电机的铭牌伺服驱动器（servodrives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”（中文版三菱手册称为伺服放大器，而西门子手册把变频器、驱动器统称为变频器）。与变频器驱动三相交流异步电机类似，伺服驱动器驱动伺服电机。伺服驱动器根据控制命令和反馈信号对伺服电机进行位置、速度和转矩控制，其闭环控制系统原理如图所示。伺服驱动器的控制模式伺服系统控制原理图

位置控制位置控制是指工件或工具等以合适的速度向目标位置移动，并高精度地停止在目标位置。位置控制在伺服系统中应用最多，其控制精度可以达到微米以内，还能进行频繁的启停。在图中，位置控制通过最外环的位置环实现，伺服驱动器的位置检测环节检测编码器输出脉冲，计算转轴旋转角度，与输入的位置指令进行比较，比较的偏差送入位置控制器。通过位置控制器的P（比例）运算，达到精确控制位置的目的。伺服系统控制原理图速度控制通过控制输出电源的频率来对伺服电机进行调速，此时类似于变频器。与变频器不同的是引入了速度负反馈，伺服驱动器速度环检测伺服电机编码器的信号计算电机转轴转速，与输入速度指令比较，比较的偏差送入速度控制器。通过速度控制器的PI调节，不但能调节电机的速度，还能让电机转速保持稳定。伺服系统控制原理图速度控制转矩控制通过最内部的电流环实现，通过检测伺服驱动器给伺服电机各相的输出电流，与输入电流指令比较，比较的的偏差送入电流控制器。通过电流控制器的调节，使输出电流等于或接近设定电流。在转矩控制模式下，伺服驱动器无需计算编码器信号，运算量最小，动态响应最快。在最外环的位置控制模式下，还需经过内环的速度控制和转矩控制，运算量最大。伺服系统控制原理图

转矩控制伺服驱动器内部电路根据原理功能，主要包括主电路和控制电路，如图所示。伺服驱动器内部电路与变频器内部电路相似，不同的是增加了动态制动电路和编码器负反馈等，具有位置控制功能，速度和转矩控制精度更高。04-01-伺服驱动器的内部结构和工作原理视频伺服驱动器的内部结构和工作原理内部电路原理图西门子SINAMICSV90（以下简称V90）系列伺服驱动器的根据不同的应用分为两个版本。（1）脉冲序列版本（以下简称V90PTI），集成了脉冲、模拟量、USS和Modbus通信。可以实现内部定位功能，同时具有脉冲位置控制、速度控制和转矩控制模式。（2）PROFINET通信版本（以下简称V90PN），集成了PROFINET接口，可以通过PROFIdrive协议与上位机控制器如西门子S7-200SMARTPLC、S7-1200PLC等进行通信。V90伺服驱动器的型号V90伺服驱动器根据供电电压分为200V和400V两个系列，分别驱动低惯量伺服电机（200V）和高惯量伺服电机（400V）。200V系列有四种外形尺寸可供选择：FSA、FSB、FSC和FSD。其中，FSA、FSB和FSC既可在单相电网中使用，也可在三相电网中使用，FSD仅可在三相电网中使用。

400V系列有四种外形尺寸可供选择：FSAA、FSA、FSB和FSC。该系列产品的所有型号仅可在三相电网中使用。V90伺服驱动器的型号①驱动名称②输入电源相数、电压、电流、频率③输出电源相数、电压、电流、频率④防护等级IP和配套电机额定功率⑤订货号⑥产品序列号⑦部件号V90伺服驱动器的铭牌伺服驱动器示例电机铭牌SINAMICSS将广泛的工艺功能集成到驱动控制系统中，用于驱动同步电动机和异步电动机，能够满足对动态特性和精度的较高要求。SINAMICSS120（以下简称S120）设计为模块化的系统组件，如图所示。大量部件和功能相互协调，用户可以用选型工具SIZER进行组合使用，构成最佳方案。图中，进线侧功率部件，如熔断器、接触器、电抗器、滤波器，用于开关电源；电源模块是一个整流器，由主电源供电，为直流母线集中供电；直流母线部件为可选件，用于稳定直流母线电压；电动机模块是一个逆变器，由直流母线供电，为电动机提供电源；SINAMICSS120组件S120组件控制单元，执行驱动功能和工艺功能等，包括：支持PN通信的CU320-2PN和支持PROFIBUSDP通信的CU320-2DP，可用于多个驱动器的运动控制，满足不同编码器接口和过程信号的要求；基本操作面板BOP有6个按键和一个带有背光的屏幕，可以安装在SINAMICS控制单元上实现输入参数和激活功能，显示运行状态、参数、报警和故障。SINAMICSS120组件S120组件任务实施根据任务要求，每组配备配电盘或试验台；伺服驱动器和伺服电机1套、万用表1块、绝缘电阻测试仪1块、电工常用工具1套。组名

小组LOGO

组训

团队成员学号

角色

职责

项目分工计划表根据任务要求，本项目选用了伺服电机、伺服驱动器、断路器等。由于负载功率小，干扰轻，可以不选用滤波器和制动电阻。在选用伺服电机、伺服驱动器时，要注意相互配套，具体可以查阅手册中伺服电机与驱动器配套表。

根据任务要求，结合实训设备情况，完成设备选型表。设备选型表设备选型设备型号电压电流功率其他参数伺服电机

额定：

额定扭矩：静止扭矩：额定转速：静止：伺服驱动器

输入：输入：

电源相数：输入频率：输出频率：完成设备选型表后，对照设备选型评分表，进行小组自评和小组间互评。任务评分点配分评分标准自评得分互评得分伺服运动控制系统认知设备选型20正确填写设备选型表，选择元器件。每错、漏1处扣5分，不规范每处扣1分

设备选型设备选型评分根据设备选项表，向实验室管理员领取项目所需的元器件，对领取的元器件进行检测，完善元器件检测表的内容。名称符号图示操纵步骤、要领及结果伺服驱动器SD

外观检测1.看型号是否满足要求2.看外表是否破损3.看接线端子是否完整结果：

伺服电机M

外观检测1.看型号是否满足要求2.看外表是否破损3.看接线端子是否完整结果：

电阻检测使用万用表测量三相绕组的电阻值，根据电阻值是否相近，以判断电机内部是否有短路或断路问题结果：绝缘电阻检测使用兆欧表测量电机绕组对地的绝缘电阻，以及绕组之间的绝缘电阻。绝缘电阻值应符合安全标准，以确保电机在使用过程中的安全结果：元器件检测元件检测完成后，对照表中评分标准，小组自查和小组互查。按照评分标准，完成表中小组自评和互评得分。任务评分点配分评分标准自评得分互评得分伺服运动控制系统认知设备检测40正确规范使用仪表检测。每错、漏1处扣5分，不规范每处扣1分

元器件检测设备检查评分任务评价组内检查完成，各小组顺序交叉验收，填写验收报告表。项目名称

建设单位

项目验收人员

验收时间

项目概况

存在问题

完成时间

验收结果功能测试技术水平施工质量材料归档

检查验收各组展示作品，介绍任务完成过程、制作展示PPT、整理技术文档并提交汇报材料，同时进行小组自评、组间互评、教师评价，完成考核评价表。项目名称评价内容分值评价分数自评互评师评职业素养考核项目35%

穿劳保服和电工绝缘鞋，整洁5分

安全意识、责任意识、服从意识5分

积极参加教学活动，按时完成学生工作活页8分

团队合作、与人交流能力5分

劳动纪律6分

生产现场管理