伺服基本原理及伺服选型计算.ppt

1、1,AC交流伺服基础,1:交流伺服原理 2:伺服选型基础 3:伺服性能指标 4:主流厂牌的市场表现,2,AC伺服原理,伺服(Servo) Servo的语源出於拉丁语的Servus(英语為Slave:奴隶) 奴隶的功用是忠实地遵从主人的命令从事劳力工作,也就是“依指令确实执行动作之驱动装置；能够高精度的灵敏动作表现，自我动作状态常时确认” 而具有这种功能装置就称為,遵命!主人,伺服裝置,AC伺服簡介,3,伺服系统之架构,指令部,馬 達,驅動器,機械負載,控制值,驅動值,回授檢出部,轉矩,伺服机构系统，大致上可分為下例几项： 1.指令部：动作指命信号的输出装置 2.控制部：接收控制指令，并驱动马达

2、的装置 3.驱动、检出部：驱动控制对象、并检出状态 的装置,AC伺服簡介,4,交流伺服系统基控制器架构,位置 控制器,速度 控制器,電流 控制器,AC伺服簡介,5,其他非交流马达的比较,*感应马达 + 变频器 * DC 直 流 形 伺 服 马 达,AC伺服簡介,6,感应马达 + 变频器,特长优点： 1.维护容易。 2.耐环境性佳。 3.高速时，转矩特性佳。 4.可製做大容量，效率佳。 5.构造坚固。 6.低价。,缺点： 1. 无法作高动态加减速 2. 低转速, 控速难平稳 3. 小容量机种，效率差。 4 . 停电时，无法动态剎车。,适用场合： 1. 控速变化较不激烈的產业 2. 大容量驱动功率

3、需求。,AC伺服簡介,7,DC 直 流 形 伺 服 马 达,特长优点： 1.伺服驱动器构造简单。 2.停电时可发电剎车。 3.体积小、价格低。 4.效率佳。,缺点： 1.整流子週边需定期保养。 2.碳刷磨耗產生(碳粉)，无法 应用於要求清絜的场所。 3.因整流器碳刷的问题，高速 时转矩差。 4.永久磁石有消磁的可能。,AC伺服簡介,8,伺服马达,伺服主电路基本架构图,U,V,W,PWM INVERTER IGBT,P,D,C,数位讯号处理器,AC伺服簡介,9,伺服控制基本架构,位置 控制器,外部速度,外部扭矩,位置脈波,數位輸入,數位輸出,類比輸出監控,ABZ輸出,CN 1,速 度 控制器,電

4、 流 控制器,GATE DRIVER,CN 3,串列通訊,CN 2,ENCODER SIGNAL,CURRENT SENSOR,伺服同步 參數調整 介面處理,編 碼 器 訊號處理,電 流 訊號處理,RS-232 RS-422 RS-485,AC伺服簡介,10,物理概念及公式,伺服选型计算,11,力矩与转动方程式,力矩： 力矩的意义：使物体转动状态產生变化的因素，即当物体受到不為零的外力矩作用，原為静止的将开始转动，原来已在转动的，转速将產生改变。,力矩的定义：考虑开门的情况，如右图，欲让门產生转动，必须施一外力 F 。施力点离转轴愈远愈容易使门转动。而外力平形於门面的分力对门的转动并无效果，只

5、有垂直於门面的分力能让门转动。综合以上因素，定义力矩，以符号 表示。,12,力矩的單位：S.I. 制中的單位為 牛頓公尺（Nm） 力矩的方向與符號：繞固定軸轉動的物體，力矩可使物體產生逆時鐘方向，或順時鐘方向的轉動。因此力矩為一維向量。力矩符號規則一般選取如下：,轉動方程式：考慮一繞固定軸轉動的剛體（如右圖）。距離轉軸為 r 處的一質量為 m 的質點，受到一力量 F 的作用，根據切線方向的牛頓第二運動定律,13,將刚体看成是由许多质点所构成，则每一质点都满足类似的方程式,左边的合力矩只需考虑外力所產生的力矩，由内力所產生的力矩将会两两互相抵消，如右上图所示。 括号中的量称為刚体的转动惯量，以符

6、号 I 表示,F,m,則上面導出的轉動方程式可寫成,14,此方程式為绕固定轴转动的刚体所必须遵守的基本力学方程式，类似於移动力学中的牛顿第二运动定律。合外力对应到合外力矩，质量对应到转动惯量，加速度对应到角加速度。,转动惯量在转动力学中的角色就像质量在移动力学中所扮演的角色，即转动惯量越大的刚体角速度越不容易產生变化。刚体的转动惯量与其转轴的位置与质量的分布有关。刚体的质量如呈连续的分布，则转动惯量必须以积分计算。,圓盤,圓球,圓柱,薄圓環,15,F= ,扭矩计算,1/R,T,T,电机转矩T （N.m） 滑轮半径r （m） 提升力F （N）,T,经过减速机后的提升力F= R,r,F,F,r,r

7、,r,T,16,扭矩计算,F,1/R,PB,F,PB,T,T,电机转矩T （N.m） 螺杆导程PB （m） 推力F （N）,17,惯量计算,一、负载旋转时惯量计算 JL（ ） （以电机轴心为基准计算转动惯量）,实心圆柱,空心圆柱,L（m）,D（m）,L（m）,D1 （m）,JK MK （D02 D12）,8,1,经过减速机之后的转动惯量 JL,R,JK,JK MK D,8,1,1/R,D0 （m）,18,惯量计算,M,1/R,PB,直线运动部分 JKM （ ）,2,PB,经过减速机之后的转动惯量 JL,R,JK,二、负载直线运动时惯量计算 JL（ ） （以电机轴心为基准计算转动惯量）,19,惯

8、量计算,三、皮带类传动时惯量计算 JL（ ） （以电机轴心为基准计算转动惯量）,M3,M2,M1,r1,r2,电机转矩T （N.m） 小轮1质量M1(kg) 小轮1半径r1(m) 小轮2质量M2(kg) 小轮2半径r2(m) 重物质量M3(kg) 减速比r1/r2=1/R JL=1/2*M1*r12 + (1/2*M2*r22)/R2 + M3*r12 JL=1/2*M1*r12 + 1/2*M2*r12 + M3*r12,20,伺服选型原则,连续工作扭矩 伺服电机额定扭矩 瞬时最大扭矩 伺服电机最大扭矩 (加速时) 负载惯量 3倍电机转子惯量 连续工作速度 电机额定转速,21,举例计算1,已

9、知：圆盘质量M=50kg，圆盘直径D=500mm，圆盘最高转速60rpm，请选择伺服电机及减速机。,22,举例计算1,计算圆盘转动惯量 JL = MD2/ 8 = 50 * 2500 / 8 = 15625 kg.cm2 假设减速机减速比1：R，则折算到伺服电机轴上负载惯量为15625 / R2。 按照负载惯量 18803，R 137 输出转速=3000/137=22 rpm，不能满足要求。 如果选择1200W电机，JM = 8.28kg.cm2，则15625 / R2 637，R 25 输出转速=3000/25=120 rpm，满足要求。 这种传动方式阻力很小，忽略扭矩计算。,23,举例计算

10、1,这种传动方式与前一种传动方式相同，选型时主要考虑负载惯量的计算，计算公式也与前面相同。 总结：转动型负载主要考虑惯量计算。,24,举例计算2,M,1:R1,已知：负载重量M=50kg，同步带轮直径D=120mm，减速比R1=10，R2=2，负载与机台摩擦系数=0.6，负载最高运动速度30m/min，负载从静止加速到最高速度时间200ms，忽略各传送带轮重量，驱动这样的负载最少需要多大功率电机？,D,1:R2,25,举例计算2,1. 计算折算到电机轴上的负载惯量 JL = M * D2 / 4 / R12 = 50 * 144 / 4 / 100 = 18 kg.cm2 按照负载惯量 6 k

11、g.cm2,2. 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩Tf = M * g * * (D / 2) / R2 / R1 = 50 * 9.8 * 0.6 * 0.06 / 2 / 10 = 0.882 N.m 加速时所需转矩Ta = M * a * (D / 2) / R2 / R1 = 50 * (30 / 60 / 0.2) * 0.06 / 2 / 10 = 0.375 N.m 伺服电机额定转矩 Tf ，最大扭矩 Tf + Ta,26,举例计算2,3. 计算电机所需要转速 N = v / (D) * R1 = 30 / (3.14 * 0.12) * 10 = 796 rpm

12、,27,举例计算3,已知：负载重量M=200kg，螺杆螺距PB=20mm，螺杆直径DB=50mm，螺杆重量MB=40kg，摩擦系数=0.2，机械效率=0.9，负载移动速度V=30m/min，全程移动时间t=1.4s，加减速时间t1=t3=0.2s，静止时间t4=0.3s。请选择满足负载需求的最小功率伺服电机。,M,28,举例计算3,1. 计算折算到电机轴上的负载惯量 重物折算到电机轴上的转动惯量JW = M * ( PB / 2)2 = 200 * (2 / 6.28)2 = 20.29 kg.cm2 螺杆转动惯量JB = MB * DB2 / 8 = 40 * 25 / 8 = 125 kg

13、.cm2 总负载惯量JL = JW + JB = 145.29 kg.cm2,2. 计算电机转速 电机所需转速 N = V / PB = 30 / 0.02 = 1500 rpm,29,举例计算3,3. 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩Tf = M * g * * PB / 2 / = 200 * 9.8 * 0.2 * 0.02 / 2 / 0.9 = 1.387 N.m 重物加速时所需转矩TA1 = M * a * PB / 2 / = 200 * (30 / 60 / 0.2) * 0.02 / 2 / 0.9 = 1.769 N.m 螺杆加速时所需要转矩TA2 = JB

14、 * / = JB * (N * 2/ 60 / t1) / = 0.0125 * (1500 * 6.28 / 60 / 0.2) / 0.9 = 10.903 N.m 加速所需总转矩TA = TA1 + TA2 = 12.672 N.m,30,举例计算3,3. 计算电机驱动负载所需要的扭矩 另一种计算所需加速扭矩的方法： TA= 2* N * (JW + JB) / (60 * t1) / = 6.28 * 1500 * 0.014529 / 12 / 0.9 = 12.672 N.m 计算瞬时最大扭矩： 加速扭矩Ta = TA + Tf = 14.059 N.m 匀速扭矩Tb = Tf

15、= 1.387 N.m 减速扭矩Tc = TA Tf = 11.285 N.m 实效扭矩Trms = sqrt(Ta2*t1 + Tb2*t2 + Tc2*t3) / (t1+t2+t3) = sqrt(14.0592*0.2 + 1.3872*1 + 11.2852*0.2)/(0.2+1+0.2) = sqrt(39.531+1.924+25.47)/1.4 = 6.914 N.m,31,举例计算3,4. 选择伺服电机 伺服电机额定扭矩 T Tf 且 T Trms 伺服电机最大扭矩 Tmax Tf + TA 最后选定1MV3-23C15CB-U131X电机。,32,决定伺服电机大小的因素,

16、传动方式 负载重量 皮带轮/滚珠丝杆等传动件重量 减速比 皮带轮直径/滚珠丝杆螺距 加减速特性 运行速度 摩擦系数 机械效率,33,一个好的伺服效能要具备,高均一性、适应性,当整个机构来回作动时, 面对时变的磨擦力及工件的更换, 保持一致的性能是很重要的. 每一次的速度变化曲线是否一致 每一次的位置变化曲线是否一致,34,伺服性能指标,伺服驱动器通常以多回路控制方式设计，其中包含有电流控制器、速度控制器、位置控制器。 电流控制器负责电枢电流的调节，电流回路的性能主要決定于两项指标：频宽与电流涟波。 速度控制器根据速度命令与速度回授负责速度回路的调节，此控制器主要之功能在于根据速度回路的动态特性

17、進行频率响应补偿。传统的设计方法多采用以相位補償為主的類比控制方式。 位置控制器负责位置回路的控制，在多數的伺服驱动器中，位置控制器主要是一个可调的比例放大器，其增益相当于伺服回路的靜态回路增益。,35,伺服重要指标-频宽,一个位置伺服系统其追随误差与回路增益成反比，因此要降低追随誤差，就必須调高伺服驱动器的回路增益。然而一个位置伺服系统所能允許的最大回路增益与伺服驱动器的频宽有着密切的关系，越高的回路增益也就意味著越宽的伺服频宽，因此对速度回路与电流回路的设计要求也就越为苛刻。 在伺服系统里,频宽是伺服系统动态响应速度的度量。选择伺服系统的频宽应根据系统实际需要加以确定，频宽过低会限制系统的

18、响应.,36,伺服响应频宽的概念,频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。当伺服系统（通常以速度闭环来举例）速度环给定一个正弦波信号，则电机的速度也应以正弦规律变化。保持给定正弦波的幅值，逐渐提高正弦波的频率，电机速度的变化也会加高频率。当给定频率提高到一定程度，通常是几十赫兹时，响应正弦波的相位发生滞后，幅度下降3db，这一点的给定频率就是响应带宽，这是伺服的一个重要指标，它表征系统的响应速度、抗扰动的能力，也极大地影响静态指标。,37,速度响应频宽比较,38,伺服的精度指标,伺服马达编码器高的优势: 1:可以使用在更高的精度要求场合;

19、2:马达运行噪音更低; 3:速度控制越平稳,特别是低速特性更佳;,39,各厂牌编码器分辨率比较,汇川伺服编码器分辨率不提高,很难跟国产拉开差距,40,各厂牌市场表现,41,核心竞争对手国外品牌安川,简介： 业务领域：驱动控制 运动控制 系统控制。 其伺服产品可靠性高，性能优秀，在机床、印包、线缆、金属制品等领域具备优势。 新推出sigama-V系列的系列性能优秀，骏马系列价格便宜，具有很大的杀伤性。,特点： 专注驱动 可靠性与性能强大 应用行业广泛,42,核心竞争对手国外品牌安川,系列： Sigama II 老系列、全容量系列 Sigama V 新系列、中小容量系列 骏马 新系列、小容量系列、

20、低价系列,43,核心竞争对手国外品牌三菱,简介： 其产品包括工业自动化产品和机电一体化产品。 从社会基础设施建设领域到半导体制造等高科技产业，从现场控制到远程监控 。 主要应用于陶瓷、食品包装设备、传动等。,特点： 致力于驱动以及运动控制领域产品齐全 在PLC领域与竞争激烈在国内没有售后服务 渠道过去较混乱，正在整合中价格透明，渠道利润薄,44,核心竞争对手国外品牌三菱,系列： MR-J2 老系列、通用系列 MR-J3 新系列、高性能系列 MR-E 低价简易系列,45,核心竞争对手国外品牌三洋,简介： Sanyodenki是最早进入中国的伺服电机系统之一。 其产品广泛应用于冶金高炉 印刷机械、

21、包装机械、纺织机械、塑胶机械、医疗设备、自动化生产线等领域。 涉及数控机床 冶金设备激光加工设备 建材设备 纺织机 弹簧机 以及军用随动系统等行业。 钢铁企业高炉自控系统。,特点： 性能优异 价格较高 全容量覆盖 与在中大功率钢材加工行业有竞争,46,核心竞争对手国外品牌三洋,系列： Q 高性能系列 PY 简易系列,47,核心竞争对手国外品牌松下,简介： 松下电器产业株式会社自1918年松下幸之助创业以来，松下公司是一个跨国性公司，在全世界设有230多家公司，员工总数超过250，000人。其中在中国有54，000多人。2001年全年的销售总额为610多亿美元，为世界制造业500强的第26位。,

22、特点： 集团公司 产品系列齐全 松下伺服以及三菱PLC组合是目前包装印刷行业解决方案提供的主要竞争对手,48,核心竞争对手国外品牌松下,系列： MINAS A5 新系列、高性能系列 MINAS A4 高性能、通用系列 MINAS A4P 高性能、机床专用系列,MINAS A4F 高性能、高端系列 MINAS A4N 高性能、 通讯系列 MINAS E 小容量、脉冲免调试超简易系列 MINAS AIII 中小容量、高性能过度系列 MINAS A 中小容量、简易系列 MINAS S 小容量、简易系列,49,竞争对手施耐德,1836年：施耐德兄弟接管当时正处于困境的Creusot铸造厂，两年后他们成

23、立了Schneider & Cie。 19世纪，施耐德电气从事钢铁工业、重型机械工业、轮船建造业；20世纪，从事电力与自动化管理业。在成立的170多年里，施耐德电气遇到过无数次挑战，也做过数次重大战略选择，现在集团已经成长为行业领导者。 主要业务： 能源及基础设施 数据中心及网络 工业 住宅 建筑 依靠其低压电器产品的知名度，逐渐通过并购企业、贴牌生产的方式将业务扩张至工业控制领域。其产品在起重、电梯、市政、水处理等领域具有一定份额。,产品全 品牌宣传力度强大 资本运作为主,50,竞争对手施耐德,系列： Lexium 32 新系列、高性能系列 Lexium 15 全容量、高性能系列 Lexiu

24、m 05 中小容量、通讯系列 Lexium 17 集成PLC功能、通用系列,51,核心竞争对手国外品牌科比,简介： 家族企业，在全球拥有超过1000名员工，17个国家拥有办事处，并有9家全资子公司。 以驱动器产品为主。,特点： 中大功率伺服 多种集成控制功能 是中大功率伺服的主要竞争对手,52,核心竞争对手国外品牌科比,系列： F5 Multi 高性能系列、通讯系列、可匹配多款编码器 F5 -A 简易系列,53,其他国外品牌,德国倍福：高端工业PC、现场总线组件、驱动技术和自动化软件。,德国伦茨：高端产品，主要应用于纺织设备、机床等领域,奥地利贝加莱：机械自动化：包装、印刷、塑料、纺织制药等，过程自动化：电力、冶金、水泥等行业。,德国博世力士乐：传动与控制专家。工业及工厂自动化、行走机械、以及可再生能源,德国包米勒：全球电气传动领域的领导厂商之一，提供整套机器设备开发全套自动化系统方案，印刷、塑料、纺织、包装,54,其他国外品牌,日本欧姆龙：世界领先的传感与控制技术 。,日本富士：富士电机株式会社是日本最大的综合性电机产品制造厂家之一。成立于1923年。,德国西门子：世界最大的机电类公司之一，1847年由维尔纳冯西门子建立。如今，它的国际总部位于德国慕尼黑。,德国 路斯特：新进驻中国上海的中大功率伺服驱动