30天学会交流伺服系统

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书名：30天学会交流伺服系统-978-7-115-58953-8

ISBN：978-7-115-58953-8

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版　　权

编  著 黄 风  妥振东

责任编辑 李永涛

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

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内 容 提 要

本书共分为3部分。第1部分（第1章～第9章）从实用的角度，以某品牌交流伺服驱动系统为例，完整地介绍了交流伺服系统的工作原理、技术规格、连接和设置、参数的定义和设置，以及整机的调试和振动的消除方法。第2部分（第10章～第21章）以某品牌运动控制器为例介绍了运动控制器的功能，运动程序的编制方法，各种运动功能的实现和运动控制指令的使用，事实上只有运动控制器与交流伺服系统结合起来才能构成一套完整的“运动控制系统”。第3部分（第22章～第30章）提供了多个交流伺服系统的应用案例，介绍了通用交流伺服系统在包装机械、电子机械、压力机、热处理机床和生产流水线上的实际应用。

本书内容在编排上遵循由浅入深、由少到多的原则，按30个工作日的时间安排学习内容。尽量让初学者能够循序渐进，一步一个脚印，扎扎实实地学习。

本书适合自控工程技术人员、机床电气技术工程师、自动化机床设备操作工和维修工程师阅读，也可供有志于学习伺服技术的读者使用。

前　　言

2021年的一个秋日，我站在调试完毕的伺服压力机生产线前，看着工件一件件从伺服压力机下流出，心中感慨万千。我的师傅是一个八级锻工，我也曾经挥舞大锤在师傅的指挥下锻打各种工件。当时的设备不过是空气锤、摩擦压力机，后来才有曲柄压力机。现在，伺服压力机已经能够实现微米级的精确控制，连锻压设备这种人们心目中的“粗笨设备”都可以实现伺服精确控制了。自动控制技术的发展带来了制造技术的巨大进步，而交流伺服系统在自动控制技术中占有重要的地位。

本书在内容编排上遵循由浅入深、由少到多的原则，按30个工作日的时间安排学习内容。尽量让初学者能够循序渐进，一步一个脚印，扎扎实实地学好交流伺服系统。本书内容分3部分，共30章，大致内容介绍如下。

第1章～第6章对通用交流伺服系统做了全面的介绍。在这些章节里详细介绍了交流伺服系统的使用方法、各参数的定义和设置。参数赋予了伺服系统不同的功能和性能，可以说是伺服系统的最重要的核心应用。

第7章和第8章详细介绍了交流伺服系统的调试原则和消除振动的方法，是笔者对伺服控制理论的验证过程，有很强的实用价值。

第9章介绍了再生制动系统的工作原理及其部件的选型方法。

第10章～第21章，以某品牌控制器为例，详细介绍了运动控制器的使用方法，特别是如何构成复杂的运动程序。运动控制器就是一个数控系统，适用于现有的大部分运动机械。

第22章～第30章，详细介绍了交流伺服系统在各实际项目中的应用。这些项目都是笔者实际设计和调试过的项目，其中的经验教训来之不易，愿与读者分享。

希望本书能够给广大读者带来帮助，这也是笔者内心的初衷。

读者可以通过电子邮箱hhhfff57710@163.com与笔者交流。

黄风 　

2022年2月

第1章　伺服系统的工作原理和调节原理

本章首先学习伺服系统的工作原理和调节原理，揭开伺服系统的神秘面纱，然后学习伺服驱动的一些专业术语，为后续学习铺平道路。

1.1　伺服系统的工作原理

伺服系统由伺服驱动器和伺服电机及编码器构成。图1-1是伺服系统功能结构方框图。

图1-1　伺服系统功能结构方框图

1.1.1　伺服系统的速度控制

伺服驱动器类似于变频器，可以看作是一个能改变频率的电源。伺服驱动器改变频率的方法与变频器相同，也是先将交流电整流为直流电，然后采用脉宽调制技术（PWM），将直流电压分解成“等高不等宽”的一连串直流电压脉冲，从而获得近似的频率可变的交流电。

频率的改变，使电机可以按不同的速度运行，这一原理与变频器相同。

1.1.2　伺服系统的位置控制

伺服系统的强项是位置控制，即定位和插补运行。通用伺服系统多用于独自的定位运行。对于位置控制，是由控制单元（定位控制单元如QD77/运动控制器、FX-20GM/FX-1PG）发出指令脉冲给伺服驱动器，由安装在伺服电机轴上的编码器将实际运行数据（位移、速度）以脉冲的形式返回给伺服驱动器，这样就构成了闭环控制。

在伺服驱动器内部有一个滞留脉冲计数器。滞留脉冲计数器用于存放滞留脉冲。滞留脉冲定义如下。

滞留脉冲=指令脉冲−反馈脉冲

滞留脉冲表示了指令位置与实际位置之差。如果存在位置偏差，伺服系统就会一直驱动电机运行，直到位置偏差小于精度参数规定的数值，系统才确认定位完成。

这是伺服驱动器与变频器的主要区别。

目前伺服系统可以控制的对象有位置、速度、转矩，因此伺服系统有多种用途，但最常用的还是位置控制。是做功能丰富的插补运行还是做单轴控制取决于控制器的功能。有些控制器如FX-1PG只能够做单轴控制，而运动控制器可以做4轴插补运行。伺服驱动器只是一个执行机构，并不是“大脑”。

1.1.3　伺服驱动器的其他功能

（1）过载保护。

伺服驱动器中装有电子热继电器，可以对伺服驱动器和伺服电机做过载保护。从功能结构方框图1-1中可以看到：在伺服驱动器内，有电流检测器和过电流保护。过电流保护是伺服系统最常用的功能，当负载过大、带抱闸运行、强制定位、机械碰撞、加减速时间过短时都可能出现过载报警，实际是过电流保护起作用。

（2）过电压保护。

伺服驱动器内部的直流母线电压过高时，系统会执行过电压保护。

（3）再生制动。

在直流回路中，由控制回路控制一个开关型三极管，当该三极管导通时，再生制动回路工作，再生电流经过内置电阻或外置电阻，形成热能而消耗。从图1-1所示回路上可以看到，平常使用内置电阻时，在P-D端有短路片形成回路。如果使用外置电阻则必须卸下短路片，使再生电流流过外置电阻形成回路。如果未卸下短路片，则再生电流仍然流过内置电阻，由于再生电流过大，容易烧毁内置电阻。

1.2　伺服系统的调节原理

1.2.1　基本概念

（1）控制。

控制可定义为一个系统中，有一个或多个输入量对一个或多个输出量产生影响的过程，其特征是开环。

（2）调节。

调节可定义为一个系统中，对被调节量进行连续检测，与基准量进行比较并调整使其回归到基准量的过程，其特征是闭环调节。

（3）滞留脉冲——位置跟随误差。

在伺服系统中，有位置控制回路、速度控制回路、电流控制回路。在位置控制回路中，位置跟随误差是输入变量，速度是被调节量。通过位置跟随误差的大小来调节速度。当实际速度=指令速度时，位置跟随误差=0，这就达到了位置控制的目的。

位置跟随误差=指令位置−实际位置

很多资料中也称位置跟随误差为滞留脉冲或偏差计数。常常表示为如下等式。

滞留脉冲=指令脉冲−反馈脉冲

偏差计数=指令脉冲−反馈脉冲

位置跟随误差比较适合于工程技术人员理解。

（4）增益。

位置环的调节是比例调节，其比例系数也称为增益。

U=K × p

式中：U为速度，K为比例系数，p为滞留脉冲数。

在三菱交流伺服系统的参数中，“速度环增益PB09”就是这个比例调节系数。调节该参数能够立即改善系统的响应，提高刚度。但该参数调得过高会引起伺服电机啸叫，引发振动和振荡。

在三菱数控系统的参数中，其比例调节系数K为#2205，简称VGN，这是一个很有效的参数，在提高加工精度和表面粗糙度方面作用非常明显。

1.2.2　PID调节

PID调节是指“比例—积分—微分调节”。PID调节是伺服调节的基础。对伺服系统的位置调节、速度调节和电流调节都基于PID调节。

（1）调节用技术参数。

速度环的调节目的是通过调节实际速度与指令速度相等，从而使位置跟随误差=0；在速度环调节中，主要的技术内容如图1-2所示。

① 指令速度是基准量。电流是被调节量。

② 指令速度与实际速度之差是输入变量。

③ 速度环增益是比例调节系数。

图1-2　速度环调节示意图

（2）速度环调节过程。

① 当出现指令速度与实际速度之差时，系统立刻成比例地输出一个电流值，这个新出现的电流值导致速度误差减小。这个调节过程的快慢程度由调节器的比例调节系数K决定。

速度环的比例调节系数又称为速度环增益、伺服响应等级、伺服系统刚度。工程现场经常称为速度环增益、伺服系统刚度。

② 当速度环增益较高时，在短时间内，实际速度很快超过指令值，由于比例调节的作用，又向下运动，振荡幅度大，能够快速地到达基准指令值。如果速度环增益过高，振荡幅度过大，实际现场调节时就会出现电机啸叫或抖动。

特别是速度环增益过高，系统发生超调，即失去调节能力，实际速度振荡越来越大。现场表现为电机带机械系统剧烈振动，甚至会导致设备损坏，这时应该立即断电停止调节。

③ 当速度环增益适中时，实际速度到达基准速度指令值的时间虽然慢一些，但不发生振荡。现场调节时应该逐渐摸索，反复试验，获得最佳值。

④ 当速度环增益过低时，实际速度总达不到基准速度指令值，调节过程一直在进行，这样伺服电机很容易发热，也会发生电机啸叫或抖动。

1.2.3　调节实例

【实例1】某伺服主轴，实际调节时，观察其实际速度总是比指令速度小3r/min（指令速度=6000r/min，实际速度=5997～5998r/min），结果主轴严重发热。将VGN提高到原来的2倍，发热故障排除。

这是因为速度环增益过低，实际速度总达不到速度指令值，调节过程一直在进行，所以伺服电机发热。

【实例2】提高VGN引起振动和啸叫。

产生的原因参见图1-2，当斜率增大时，振荡幅度频率也增大，没有达到稳定值。这是一种轻微超调现象，所以发生振动和啸叫，这种现象不是共振（因为系统的共振点是固定的）。

在交流伺服系统中，不同的响应等级（即比例调节系数VGN）对应了不同的陷波频率。这就表明不是系统有诸多的共振点，而是在不同的比例调节系数下，可能出现的超调频率各不相同。

在实际调试时，如果伺服电机有不明原因的发热、闷响等，要检查速度环增益VGN参数是否过低。

在调试过程中，凡是电机啸叫、抖动、振荡或发热都是电机处于调节过程中，还未达到指令值的稳定状态，所以首先考虑要改变增益参数值。

1.3　相关名词术语

（1）矢量控制。

矢量控制是理解现代电机控制理论的基础，也是理解伺服控制的基础。所谓矢量控制就是把电机的电流、磁通链等物理量表示为矢量的瞬时值（具有大小和方向），使电机的电流、磁通链跟随指令值变化。

伺服电机矢量控制的核心就是通过控制输出电流矢量的幅值来控制输出转矩的大小。

（2）脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）。

对一个连续固定的直流电压，通过开关的ON/OFF，将直流电压分解成一系列等高不等宽电压脉冲，这一系列等高不等宽直流电压脉冲就等同于交流电压，这就是所谓的逆变。

采用三角波和正弦波相交从而获得PWM波形的各个脉冲开关点，这样就可以获得脉冲的宽度和占空比。脉冲的宽度和占空比随调制波的波形（正弦波）变化而变化，如图1-3所示。

图1-3　PWM调制示意图

当然，这样的电压还是直流电压——脉冲型的直流电压，但是输出的电流近似于正弦波电流。

载波是频率一定的等腰三角形波，调制波为正弦波，两波的交点确定了IGBT的ON/OFF。

当调制波数值大于载波时，IGBT上臂导通输出正向电压。

当调制波数值小于载波时，IGBT下臂导通输出负向电压。这样就获得了脉冲电压的方向和通断宽度。

为了防止上下臂同时导通造成直流侧短路，留下一段上下臂都同时关断的时间，这段时间称为死区时间（Dead Time）。伺服调节参数中有这一项，死区时间会影响输出波形，使输出的正弦波波形畸变，影响伺服电机的运行（可能造成丟步）。

1.4　思考题

（1）伺服系统由哪3大部分构成？

（2）伺服驱动器与变频器有什么区别？

（3）伺服系统能够做速度控制吗？

（4）伺服系统对控制对象的调节是PID调节吗？

（5）什么是脉宽调制？

第2章　伺服系统性能指标

本章以三菱MR-J4系列伺服驱动器为例，介绍伺服驱动器的性能指标。这对进一步学习伺服驱动器和选型配置有重要意义。

2.1　伺服系统的基本性能指标

1．基本性能指标

伺服驱动器及伺服电机的外观如图2-1和图2-2所示。

图2-1　伺服驱动器及伺服电机的外观

图2-2　伺服电机的外观

三菱MR-J4系列伺服驱动器的基本性能指标如表2-1所示。

表2-1　三菱MR-J4系列伺服驱动器的基本性能指标

2．对基本性能指标的说明

（1）MR-J4系列产品序列：额定功率为100～7000W，共有10种型号。

（2）输出：额定电压为三相AC170V，额定电流=功率/电压。（输出指标是指伺服驱动器向伺服电机的供电参数。）

（3）主回路输入。

① 1000W以下驱动器可使用三相200～240V或单相200～240V电源，允许电压范围为AC170～264V。

② 1000W及1000W以上驱动器只能使用三相200～240V电源，允许电压范围为AC170～264V。

注意　对于200V级的产品不能直接使用三相AC380V电源，直接使用三相AC380V电源会立即烧毁驱动器。

（4）电源设备容量：伺服驱动器一般由三相变压器供电。单个伺服驱动器所需的电源容量≈功率×1.3（kW）。

（5）控制电路：控制电路电源为单相200～240V，允许电压范围为AC170～264V。

（6）I/O端口电源：用于I/O接口的电源为DC24V±10%。注意不是交流电源。

（7）控制方式：正弦波PWM电流控制方式。

（8）动态制动器内置于驱动器内。

（9）通信功能：USB用于与PC连接，配置RS422口。

2.2　控制模式性能指标

2.2.1　位置控制模式

（1）最大输入脉冲频率：差动输入4Mpps，集电极开路输入200kpps。

（2）定位反馈脉冲编码器分辨率（伺服电机每旋转1周的分辨率）为4194304p/r。

（3）指令脉冲倍率为电子齿轮A/B倍。

A=1～16777216。

B=1～16777216。

1/10＜A/B＜4000（这个指标规定了电子齿轮比的设置范围，如果A/B＞4000，可能引起误动作）。

（4）定位完成脉冲数（定位精度）：0～±65535pulse（指令脉冲单位）。

（5）误差范围：±3转。

（6）转矩限制：通过参数或外部模拟量输入进行设置。

2.2.2　速度控制模式

（1）速度控制范围。

模拟量速度指令：1∶2000。

内部速度指令：1∶5000（指额定负载下，最大速度与最小速度之比）。

（2）模拟量速度指令输入：DC0～±10V/0～额定速度。

（3）速度变动率：±0.01%以下。

（4）转矩限制：通过参数或者外部模拟量输入进行设置。

2.2.3　转矩控制模式

（1）模拟量转矩指令输入：DC0～±8V/0～最大转矩。

（2）速度限制：通过参数或外部模拟量输入（DC0～±10V/0～额定速度）进行设置。

2.2.4　保护功能

过电流保护、再生过电压保护、过载保护（电子热继电器）、伺服电机过热保护、编码器异常保护、再生异常保护、电压不足保护、瞬时掉电保护、超速保护、误差过大保护。

2.3　基本功能说明

（1）位置控制模式。

伺服系统做位置控制运行，以运行位置为控制对象。

（2）速度控制模式。

伺服系统做速度控制运行，以运行速度为控制对象。

（3）转矩控制模式。

伺服系统做转矩控制运行，以转矩为控制对象。

（4）位置/速度控制切换模式。

伺服系统做位置控制模式和速度控制模式运行，通过外部输入信号进行切换。

（5）速度/转矩控制切换模式。

伺服系统做速度控制模式和转矩控制模式运行，通过外部输入信号进行切换。

（6）转矩/位置控制切换模式。

伺服系统做转矩控制模式和位置控制模式运行，通过外部输入信号进行切换。

（7）高分辨率编码器。

MR-J4系列对应的伺服电机使用4194304p/r高分辨率编码器。具备绝对位置检测功能。

（8）增益切换功能。

能够使用外部输入信号在运行中进行增益的切换。

（9）高级消振控制Ⅱ。

具备消除工作机械悬臂振动或残余振动的功能。

（10）自整定模式Ⅱ。

具备检测出机械共振后自动设置滤波器参数，消除机械共振的功能。

（11）低通滤波器。

伺服系统响应等级过高时，具备消除高频率共振的功能。

（12）强力滤波器。

当因传输辊轴等负载惯量较大而不能提高响应性时，能够提高对扰动的检测和排除。

（13）微振动消除控制。

在伺服电机停止时，消除±1脉冲信号的振动。

（14）电子齿轮。

可将输入脉冲缩小或扩大1/10～4000倍。

（15）S字加减速。

以S曲线形状进行平稳加减速。

（16）自动调整。

当伺服电机轴上的负载发生变化时，能将伺服驱动器的增益自动调整到最优。

（17）制动单元。

5kW以上的伺服驱动器可以使用制动单元，提高制动性能。

（18）电能反馈单元。

5kW以上的伺服驱动器可以使用电能反馈单元，提高制动性能。

（19）制动电阻。

当伺服驱动器的内置再生电阻的制动能力不足时使用制动电阻。

（20）输入信号选择（引脚设置）。

能够通过设置参数改变各输入端子的功能（定义）。例如，能够将ST1（正转启动）、ST2（反转启动）、SON（伺服开启）等输入功能定义到CN1接口的特定引脚。

（21）输出信号选择（引脚设置）。

能够通过设置参数改变各输出端子的功能（定义）。例如，能够将ALM（故障）、DB（电磁制动连锁）等输出功能定义到CN1接口的特定引脚。

（22）输出信号（DO）强制输出。

能够强制输出信号=ON/OFF，用于输出信号的接线检查及确认。

（23）转矩限制。

在各种控制模式下，能够限制伺服电机的输出转矩。

（24）速度限制。

在各种控制模式下，能够限制伺服电机的转速。

（25）VC自动补偿。

当VC（模拟量速度指令）或VLA（模拟量速度限制）=0V，电机速度≠0时，能够自动补偿输入电压以使电机转速=0。

（26）试运行模式。

伺服系统具备JOG运行、定位运行、无电机运行、DO强制输出等试运行模式，执行程序运行时需要使用MR Configurator 2软件。

（27）模拟量监视输出。

伺服系统工作状态实时以电压形式输出。

（28）丰富的软件功能。

MR Configurator 2：可在计算机上运行MR Configurator 2软件，进行参数设置、试运行、监视和一键式调整伺服电机的性能。

2.4　伺服驱动器与伺服电机组合使用

伺服驱动器与伺服电机可以根据表2-2进行选型配置。

表2-2　伺服驱动器与伺服电机的组合

2.5　思考题

（1）伺服驱动器使用的电源等级有几种？

（2）什么是最大输入脉冲频率？

（3）什么是编码器分辨率？

（4）什么是速度控制模式？

（5）什么是转矩控制模式？