伺服电机和伺服驱动器的使用介绍

一、伺服电机• 伺服驱动器的控制原理

伺服电机和伺服驱动器是一个有机的整体，伺服电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。

1、永磁式同步伺服电动机的基本结构

图1为一台8极的永磁式同步伺服电动机结构截面图，其定子为硅钢片叠成的铁芯和三相绕组，转子是由高矫顽力稀土磁性材料（例如钕铁錋）制成的磁极。为了检测转子磁极的位置，在电动机非负载端的端盖外面还安装上光电编码器。驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

图1 永磁式同步伺服电动机的结构

图2 所示为一个两极的永磁式同步电机工作示意图，当定子绕组通上交流电源后，就产生一旋转磁场，在图中以一对旋转磁极N、S表示。当定子磁场以同步速n1逆时针方向旋转时，根据异性相吸的原理，定子旋转磁极就吸引转子磁极，带动转子一起旋转，转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度（同步转速n1）相等。当电机转子上的负载转矩增大时，定、转子磁极轴线间的夹角θ就相应增大，导致穿过各定子绕组平面法线方向的磁通量减少，定子绕组感应电动势随之减小，而使定子电流增大，直到恢复电源电压与定子绕组感应电动势的平衡。这时电磁转矩也相应增大，最后达到新的稳定状态，定、转子磁极轴线间的夹角θ称为功率角。虽然夹角θ会随负载的变化而改变，但只要负载不超过某一极限，转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速n1转动，即转子的转速为：

（1-1）

图 2 永磁同步电动机的工作原理

电磁转矩与定子电流大小的关系并不是一个线性关系。事实上，只有定子旋转磁极对转子磁极的切向吸力才能产生带动转子旋转的电磁力矩。因此，可把定子电流所产生的磁势分解为两个方向的分量，沿着转子磁极方向的为直轴（或称d轴）分量，与转子磁极方向正交的为交轴（或称q轴）分量。显然，只有q轴分量才能产生电磁转矩。

由此可见，不能简单地通过调节定子电流来控制电磁转矩，而是要根据定、转子磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值，进而分别对q轴分量和d轴分量加以控制，才能实现电磁转矩的控制。这种按励磁磁场方向对定子电流磁势定向再行控制的方法称为“磁场定向”的矢量控制。

2、位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。

图 3

• 稳态误差接近为零；

• 动态：在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。

二、松下MINAS A5系列AC伺服电机•驱动器的接线和参数设置简介

AC 伺服电机和驱动器MINAS A5 系列对原来的A4 系列进行了性能升级，设定和调整极其简单；所配套的电机，采用 20 位增量式编码器，且实现了低齿槽转矩化；提高了在低刚性机器上的稳定性，及可在高刚性机器上进行高速高精度运转，可应对各种机器的使用。

1、驱动器和伺服电机型号的定义 ·驱动器

图 4

·伺服电机

图 5

2、驱动器接口和控制接线

图 6

⑴ 主电路接线：连接器XA包括主电源输入端子和控制电源输入端子，可；连接器XB的电机连接端子连接到伺服电机，固定接线，不可反接。（U相 红色、V相 白色、W相 黑色）；X6 接口编码器反馈信号

⑵ X4端口：I/O 控制信号端口。YL-335B接线如图7所示。

图 7

X4端口是一个50针端口，各引出端子功能与运行模式有关。YL-335B采用位置模式，并根据设备工作要求，只使用部分端子。此外，伺服ON输入（29脚）、伺服警报输出负端（36脚，ALM-端）均在接线插头内部连接到 COM- 端（0V）。从接线插头引出的信号

只有：

• 脉冲信号输入端（OPC1、PULS2、OPC2、SING2）

• 正方向驱动禁止输入（9脚，POT），负方向驱动禁止输入（（8脚，NOT） 注意：采用S7-200系列PLC时，PLC脉冲输出端的连接与三菱FX系列PLC不同，图8(a)是FX1N脉冲输出端与驱动器的连接原理，图(b) 则是西门子S7-226脉冲输出端与驱动器的连接原理。

图 8

3、参数设置 ⑴ 操作面板使用

图 9

⑵ 参数设置

A5的参数分为7类，即：分类0（基本设定）；分类1（增益调整）；分类2（振动抑制功能）；分类3（速度、转矩控制、全闭环控制）…YL-335B实际上主要使用基本设定。

A5伺服参数设置表格

参数 序号 参数号 参数名称 1 2 Pr5.28 LED初始状态 Pr0.01 控制模式 行程限位禁止输入无效设置 设置值1 0 显示电机转速 位置控制（相关代码P） 当左或右限位动作，则会发生Err38行程限位禁止输入信号出错报警。设定为1时，POT、NOT 无效。 设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。 功能和含义 初始值 0 3 Pr5.04 2 1 4 实时自动增益调整有效时，实时推断惯量比，Pr0.04 惯量比 1678 每30 分钟保存在EEPROM 中。 实时自动增益设置 设定值为0时，实时自动调整功能无效；为1时是标准模式，实时自动调整有效，是重视稳定性的模式。不进行可变载荷及摩擦补偿也不使用 实时自动增益调整有效时的机械刚性设定。此参数值设得很大，响应越快，但变得容易产生振动。 指令脉冲 + 指令方向。设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。 ①若Pr0.08≠0，电机每旋转1 次的指令脉冲数不受与Pr0.09、Pr0.10的设定影响。 5 Pr0.02 1 1 6 实时自动增益Pr0.03 的机械刚性选择 指令脉冲旋转Pr0.06 方向设置 Pr0.07 指令脉冲输入方式 13 与所使用指令有关 3 13 7 0 8 1 9 设定相当于电机每旋转1 次Pr0.08 的指令脉冲数。 6000 第1 指令分10 Pr0.09 频、倍频分子 指令脉冲分倍11 Pr0.10 频分母 0 ②若Pr0.08=0，Pr0.09=0 6000 ③若Pr0.08=0，Pr0.09≠0 编码器分辨率为10000（2500p/rх4） 设置说明：

① 控制模式：Pr0.01 =0 位置控制

② 指令脉冲旋转方向和指令脉冲输入方式：Pr0.06，Pr0.07。

位置指令（脉冲列）对应3 形态的输入：(a)2 相脉冲;(b)正向脉冲／负相脉冲（CW和CCW）;(c)脉冲列+ 符号。

• Pr0.07 规定了确定指令脉冲旋转方向的方式：两相正交脉冲（0或2）、CW和CCW（=1） 或指令脉冲+指令方向（=3）。用PLC的高速脉冲输出驱动时，应选择 Pr0.07=3。

• 当Pr0.06=0，Pr0.07=3，则指令方向信号SING为高电平（有电流输入）时，正向旋转。例如，当PLC编程使用定位控制指令驱动伺服系统时，需选择 Pr0.06=0

• 当Pr0.06=1，Pr0.07=3，则指令方向信号SING为低电平（无电流输入）时，正向旋转。例如，在S7-226编程使用脉冲输出指令驱动伺服系统时，需选择 Pr0.06=1

③ 位置控制模式下电子齿轮的概念和电子齿轮参数 位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图

图 10

带积分器的闭环控制系统稳态误差为零，即输入的指令脉冲数乘以电子齿轮比，将与编码器反馈的脉冲数相等。电子齿轮是一个分/倍频器，用以按需要改变指令脉冲数，使之与编码器反馈脉冲数匹配。

YL-335B中，同步轮齿数=12，齿距=5mm, 每转60 mm，为便于编程计算，希望脉冲当量为0.01 mm，即伺服电机转一圈，需要PLC发出6000个脉冲。故设定 Pr0.08=6000。

④ 保护参数：Pr5.04--行程限位禁止输入无效设置，

设定Pr5.04=2，则当左或右限位动作，则会发生Err38 行程限位禁止输入信号错误报警。

二、使用PLC的脉冲输出功能驱动伺服电机

1、三菱FX1N的定位控制指令

定位控制指令包括原点回归（ZRN）、相对位置控制 (DRVI) 、绝对位置控制 (DRVA)和可变速脉冲输出指令（PLSV）。

⑴ 原点回归DZRN：①高速返回到近点，②到达近点以爬行速度返回，近点信号（DOG）由ON变为OFF（下降沿）停止。当前值寄存器（D8041，D8040）清零。执行完

成标志是M8029。

⑵ 绝对位置控制DDRVA：给出目标位置的坐标（对于原点的脉冲数，可正负），运行频率；指定脉冲输出、方向输出点。

例：原点回归子程序

图 11

⑶ 可变速脉冲输出指令DPLSV，一个附带旋转方向的可变速脉冲输出指令。给定脉冲输出频率（可正负），指定脉冲输出、方向输出点。在脉冲输出状态中，仍然能够自由改变输出脉冲频率。

2、S7-200系列PLC的脉冲输出功能 ⑴ 使用位控响导编程注意问题

① 点选使用高速计数器HSC0（模式12）对PTO生成的脉冲自动计数的功能。

② 为运动包络指定V存储区地址（修改建议地址），应通盘考虑，自行键入一个合适的地址。

⑵ 由向导生成的四个项目组件（子程序）的使用

其中

• PTOx_MAN子程序（手动模式）：将PTO输出置于手动模式。执行这一子程序允许电机启动、停止和按不同的速度运行。但当PTOx_MAN子程序已启用时，除PTOX-CTRL外任何其他PTO子程序都无法执行。

、PTOx_LDPOS指令（装载位置）•：改变PTO脉冲计数器的当前位置值为一个新值。可用该指令为任何一个运动命令建立一个新的零位置。

3、西门子S7-200系列PLC的脉冲输出指令库MAP

•脉冲输出指令库MAP基于S7-200 PLC本体脉冲输出指令（PTO），用于帮助用户实现较复杂的定位功能，控制伺服驱动或步进电机。

• 指令库安装

例：MAP serv q0.0指令库安装 • 指令库的内容

MAP包括的指令块如下表：

块 Q0_x_CTRL Q0_x_MoveRelative Q0_x_MoveVelocity Q0_x_Home Q0_x_Stop Q0_x_LoadPos Scale_EU_Pulse Scale_Pulse_EU 功能 参数定义和控制 执行一次相对位移运动 按预设的速度运动 寻找参考点位置 停止运动 重新装载当前位置 将距离值转化为脉冲数 将脉冲数转化为距离值 Q0_x_MoveAbsolute 执行一次绝对位移运动

• MAP SERV Q0.0 指令库的使用

a、应用MAP库时，一些输入输出点的功能被预先定义，如表3所示：

名称 脉冲输出 方向输出 参考点输入 所用的高速计数器 高速计数器预置值 手动速度

MAP SERV Q0.0 Q0.0 Q0.2 I0.0 HC0 SMD 42 SMD 172

MAP SERV Q0.1 Q0.1 Q0.3 I0.1 HC3 SMD 142 SMD 182

b、背景数据块 为了可以使用该库，必须为该库分配 68 BYTE（每个库）的全局变量

第1次在程序中调用一个库指令时，项目中的程序块就会出现“库”，右击之，为该库分配存储区。如图

c、示例说明

* 工作任务：取自《自动线安装与调试（三菱FX系列）》7.4.1之工作任务

输送单元单站运行的目标是测试设备传送工件的功能。进行测试时要求其他各工作单元已经就位，并且在供料单元的出料台上放置了工件。具体测试要求如下：

1、输送单元在通电后，按下复位按钮SB1，执行复位操作，使抓取机械手装置回到原点位置。在复位过程中，“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁。

当机械手装置回到原点位置，且输送单元各个气缸满足初始位置的要求，则复位完成，“正常工作”指示灯HL1常亮。按下起动按钮SB2，设备启动，“设备运行”指示灯HL2也常亮，开始功能测试过程。

2、正常功能测试

⑴ 抓取机械手装置从供料站出料台抓取工件，抓取的顺序是：手臂伸出→手爪夹紧抓取工件→提升台上升→手臂缩回。

⑵ 抓取动作完成后，机械手装置向加工站移动，移动速度不小于300mm/s。

⑶ 机械手装置移动到加工站物料台的正前方后，即把工件放到加工站物料台上。机械手装置在加工站放下工件的顺序是：手臂伸出→提升台下降→手爪松开放下工件→手臂缩回。

⑷ 放下工件动作完成2秒后，机械手装置执行抓取加工站工件的操作。抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

⑸抓取动作完成后，机械手装置移动到装配站物料台的正前方。然后把工件放到装配站物料台上。其动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

⑹ 放下工件动作完成2秒后，机械手装置执行抓取装配站工件的操作。抓取的顺序与供料站抓取工件的顺序相同。

⑺ 机械手手臂缩回后，摆台逆时针旋转90°，机械手装置从装配站向分拣站运送工件，到达分拣站传送带上方入料口后把工件放下，动作顺序与加工站放下工件的顺序相同。

⑻ 放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，然后执行以400mm/s的速度返回原点的操作。返回900mm后，摆台顺时针旋转90°，然后以100mm/s的速度低速返回原点停止。

当机械手装置返回原点后，一个测试周期结束。当供料单元的出料台上放置了工件时，再按一次启动按钮SB2，开始新一轮的测试。

⑼ 在上述工作过程中若按下急停按钮，系统立即停止。急停复位后，系统从断点开始继续运行。

编程要点

a.主要的运行控制是单序列的步进控制，编程时首先要营造工作环境，启动后进入运行状态，执行步进顺序控制。

• 营造工作环境的过程，包含准确寻找抓取机械手装置的参考点位置，以便在运行控制中准确定位。该参考点位置位于原点开关的中心线处（故称原点位置），因此，即使原点开关状态为ON，仍未能认为抓取机械手装置已经在原点位置。

本程序的算法是，使用寻找参考点指令（西门子：Q0_0_Home；三菱：原点回归指令ZRN），准确获得离开原点开关的下降沿位置，然后低速前进一个确定距离，到达原点开关中心线处。

寻找参考点的方向必须是从左向右的，故在开始使用寻找参考点指令时，若原点开关状态为ON，应首先从右向左运行一段距离，以正确执行寻找参考点指令。

使用西门子MAP库Q0_0_Home指令，寻找参考点时的高速，默认值为最高速度的一半，若认为不合适，须更改背景数据块中的VD23。

• 启动后主运行控制，西门子：调用“运行控制”子程序，三菱：使用主控指令 主运行控制的条件，一是运行状态标志为ON，二是急停按钮没有按下。 应用西门子MAP库指令时注意：若急停按钮按下，“运行控制”子程序停止调用。但如果急停时，正在应用Q0_0 _MoveAbsolute指令驱动机械手运动，则无法控制其停止。为此在急停按钮按下时，须用Q0_0 _Stop指令强行停止。

b. 主运行控制是单序列步进顺控，须注意步转移的条件。

• 抓取机械手抓取和放下工件由于需要反复进行，均使用调用子程序的方法。 S7-200的调用，可采用带形式参数的子程序，抓取完成时返回一个开关量。

与三菱FX PLC 子程序的比较

S7-200 程序中“抓取工件”子程序的输出“抓料完成”是一个局部变量，子程序执行结束存储区被清除。当抓料完成时，“抓料完成” ON，传递给全局变量M4.0，M4.0只能ON一个扫描周期。

• 步进程序中定位控制步完成的标志