交流伺服驱动器原理及调试

1、伺服驱动器 孙海亮,华中数控,主要内容：,华中数控,一、伺服驱动器的种类及结构,二、伺服驱动器发展趋势,三、 伺服驱动器的原理：,四、伺服驱动器的接线：,五、 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,六、 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,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

2、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

3、 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,华中数控,三、 伺服驱动器的原理：,HSV-20D系统结构,1） 控制电路结构 DSP：ADMC401BST 逻辑：FPGA : A42MX09 辅助控制：MCU: AT89S8252 2） 功率电路结构 整流：三相整流桥 逆变：智能功率模块 电源：开关电源。,控制电路结构,DSP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、位置环控制以及PWM信号发生、各种故障保护处理等

4、。 MCU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。 FPGA实现DSP与 MCU之间的数据交换、外部I/O信号处理、内部I/O信号处理、位置脉冲指令处理、第二编码器计数等。,功率电路结构,功率电路采用模块式设计，三相全桥整流部分和交-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，设有软启动电路和能耗泄放电路。逆变器采用智能功率模块来实现。,HSV-20D交流伺服系统结构图,HSV-20P电源模块结构图,2、HSV-20S交流主轴驱动器原理,HSV-20S交流主轴驱动

5、器以高性能数字信号处理器DSP ADMC401 为控制核心,以智能功率模块IPM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频率矢量控制，实现了电流控制、速度控制和位置控制。,规格及特点：,. 25A、50A、75A、100A四个型号 . 输出功率3.7W15Kw . 适配交流感应电机 . 脉冲编码器反馈 . 位置、速度、转矩三种控制方式 . 主轴定向功能 . 共电源模块设计，三相380V交流直接供电,HSV-20S系统结构,（1） 控制核心 DSP：ADMC401BST 逻辑：FPGA : A42MX09 辅助控制：MCU: AT89S8252 （2） 功率电路 整流：三相整流桥 逆

6、变：智能功率模块 电源：开关电源。,华中数控,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,12,330,CNC,0V,+5V,16,18,20,10,11,黄,棕,绿,蓝,红,紫,黑,白,Y16,100,/F-PC,/R-PC,V-REF,SG,21,20,OUTA,GND,510欧,R2,伺服驱动的强电回路及反馈

7、回路接线图,华中数控,HSV-20D(S)接线,1、电源模块标准接线 2、位置控制方式标准接线 3、速度控制方式标准接线,1、电源模块标准接线,注意事项,（1）电源模块出厂时，缺省使用内部制动电阻， 在XT1端子处用短路条已将BK1脚与BK2脚短接。 （2）如果使用外接制动电阻需将短路条拆掉，使 BK1脚与BK2脚断开,由BK2脚与PB脚端接外接制 动电阻。 警告：PB脚不能与BK2脚短接，否则会损坏电源模块。,2、位置控制方式标准接线,3、速度控制方式标准接线,注意事项,（1）直流母线强电P1，N1由电源模块提供,千万不能接反。 （2）在有多个驱动模块级联使用时，直流母线P2，N2联接 另一

8、台驱动模块。 （3）连接图中的主轴电机是以登奇电机为例。 注:图中的“壳”指的是接线插头的金属外壳,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。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,14,15,16,17,18,43,42,46,47,图3 CN1/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

9、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,设定位置环的前馈增益。 设定值越大时，表示在任何频率的指令脉冲下，位置滞后量越小 位置环的前馈增益大，控制系统的高速响应特性提高，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0表示范 围：0100%,华中数控,位置前馈增益,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

10、不产生振荡的条件下，尽量设定较大的值。,华中数控,速度比例增益,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。,华中数控,速度积分时间常数,设定速度反馈低通滤波器特性。 数值越大，截止频率越低，电机产生的噪音越小。如果负载惯量很大，可以适当减小设定值。数值太大，造成响应变慢，可能会引起振荡。 数值越小，截止频率越高，速度反馈响应越快。如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,设置伺服电机的内部转矩限制值。 设置值是额定

11、转矩的百分比， 任何时候，这个限制都有效,华中数控,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。 本参数提供了位置控制方式下驱动器判断是否完成定位的依据，当位置偏差计数器内的剩余脉冲数小于或等于本参数设定值时，驱动器认为定位已完成，到位开关信号为 ON，否则为OFF。 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,设置到达速度 在非位置控制方式下，如果电机速度超过本设定值，则速度到达开关信号为ON，否则为 OFF。 在位置控制方式下，不用此参数。 与旋转方向无关。,设置值是表示电机从02000r/min的加速时间或从 20000r/min的减速时间。 加减速特性是

12、线性的。,华中数控,加减速时间常数,到达速度范围,设定伺服电机的磁极对数； 1：电机的磁极对数为1； 2：电机的磁极对数为2； 3：电机的磁极对数为3； 4：电机的磁极对数为4；,华中数控,伺服电机的磁极对数,设定伺服电机的光电编码器线数； 0 ：编码器分辨率1024 Pusle/r； 1 ：编码器分辨率2000 Pusle/r； 2 ：编码器分辨率2500 Pusle/r； 3 ：编码器分辨率5000 Pusle/r；,华中数控,编码器分辨率,设置位置指令脉冲的输入形式。 通过参数设定为3种输入方式之一； 0：两相正交脉冲输入； 1：脉冲+方向； 2：CCW脉冲/CW脉冲 CCW是从伺服电机

13、的轴向观察，反时针方向旋转， 定义为正向。 CW是从伺服电机的轴向观察，顺时针方向旋转， 定义为反向。,华中数控,位置指令脉冲输入方式, 用于选择伺服驱动器的控制方式。 0：位置控制方式，接收位置脉冲输入指令； 1：模拟速度控制方式，接收模拟速度指令； 2：模拟转矩控制方式，接收模拟转矩指令； 3：内部速度控制方式，由参数20设定数字速 度指令,华中数控,控制方式选择,在模拟速度控制方式下，利用本参数可以调节模拟速度指令输入的零漂。调整方法如下： （1）将模拟控制输入端与信号地短接。 （2）设置本参数值，至电机不转。,华中数控,速度指令零漂补偿,设置伺服电机的最高限速值。 与旋转方向无关。 如

14、果设置值超过额定转速，则实际最高限速为额定转速。,华中数控,最高速度限制,接通伺服驱动器的电源， 先进入测试调整模式,测试调整模式可以执行伺服驱动器的测试操作,自整定,报警复位和编辑清除.其数字操作器的按键说明如表1:,空载下调试实验,华中数控,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W

15、R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：,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,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