第三章伺服驅動器李鑫合肥工業大學電氣與自動化工程學院第三章伺服驅動器3.1伺服驅動器概述3.2交流伺服驅動器的結構和工作原理3.3交流驅動器的參數與選型3.4交流驅動器的接口與典型電路3.5伺服驅動器的安全與壽命總結2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut23.1伺服驅動器概述2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut33.2交流伺服驅動器

的結構和工作原理2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut4主回路控制回路外部接口3.2.2交流伺服驅動器工作原理2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut53.3交流伺服驅動器參數與選型2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut6（1）額定功率：指驅動器能夠連續輸出的有效功率，也就是在正常的工作環境下可以持續工作的最大功率。（2）電壓：交流伺服驅動器電源電壓一般有單相220V，三相380伏和三相220伏。單相電一般多用于低功率，三相電則多用于功率偏大的伺服驅動器。（3）容許電壓變動率：伺服驅動器能夠正常工作的輸入電壓允許變化的范圍，一般是-15%~10%。（4）輸入電流：驅動器輸入的電源電流就叫輸入電流。（5）額定輸出電流：驅動器的額定電流定義是指驅動器能夠長時間運行時所對應的最大電流。（6）瞬時最大輸出電流：一般工業級伺服驅動器的瞬時最大輸出電流約為其額定輸出電流2～3倍，瞬時最大輸出電流直接關系到驅動系統的加速能力、伺服剛性與頻寬，因此是重要的性能指標。（7）驅動器的功率損耗：指驅動器輸入功率和輸出功率的差額，包括主回路損耗、再生電阻損耗及控制回路損耗。（1）慣量折合到電機上的總負載慣量是負載重量、機器的滑動臺、滾珠絲杠、電機聯軸器、驅動輥或齒輪箱的慣量總和。（2）驅動轉矩確保有足夠的對滑動臺的推力來滿足其運動要求。伺服驅動器必須提供足夠的機械推力和電機加速的加速轉矩。加速轉矩是折合到電機總慣量和設定加速度的乘積。機器滑動臺的加速度不應該高于1.5g(g=9.8m/s2)。（3）穩定性（4）驅動的分辨率及剛性電氣傳動的驅動分辨率是與電機傳動比成反比的，也就是說電機配的減速機減速比越大(傳動比越小)，驅動的分辨率越高。驅動分辨率與滾珠絲杠的導程成正比。減速比值越大，導程越細（導程個數越多），驅動的分辨率就越好。由驅動力引起的機器滑動臺位移導致的驅動剛性變化是按傳動比的平方增加的，剛性的變化也與滾珠絲桿的導程有關。因此，在對伺服驅動進行選型時，要重視考慮運用傳動比和較細導程帶來的優勢（in/r或mn/rW）。（5）其它推力，機器壽命，間歇時間。承受多大的過載以及過載的時間會有多長，3.4交流伺服驅動器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut73.4交流伺服驅動器的接口與典型電路2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut83.4.1操作面板2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut9（1）顯示器：五組七段顯示器用于顯示監視值、參數值及設定值。（2）MODE鍵：切換監視模式、參數模式及異警顯示，在編輯模式時，按MODE鍵可以切換至參數模式。（3）UP鍵：變更監視碼、參數碼及設定值。（4）DOWN鍵：變更監視碼、參數碼及設定值。（5）SHIFT鍵：在參數模式下，可改變群組碼；在編輯模式下，閃爍字符左移可用于修正較高的設定字符值；在監視模式下，則可切換高低位數顯示。（6）SET鍵：顯示及儲存設定值。在監視模式下，可切換十進制/十六進制的顯示；在參數模式下，按SET鍵可進入編輯模式。（7）電源指示燈：主電源回路電容量的充電顯示。3.4.2主回路接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut10伺服驅動器主回路接口有電源輸入端R、S、T，輸出端U、V、W，其中U、V、W連接伺服電機。電源輸入有單相與三相兩種，其中三相電源接線如圖3-17所示，電源通過斷路器MCCB接到濾波器，濾波器輸出接到接觸器，接觸器MC輸出接到伺服驅動器R、S、T端子。接線時要注意當電源切斷時不能接觸R、S、T及U、V、W這六條電力線，此時驅動器內部大電容含有大量的電荷，等到操作面板上的電源指示燈熄滅時才能接觸。另外R、S、T及U、V、W這六條大電力線不要與其他信號線靠近，盡可能間隔30厘米以上。3.4.3制動原理2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut11利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。制動電路可為制動電阻或制動單元，制動電路接于整流器和逆變器的P、N之間，圖中的制動單元包括晶體管VR、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于P、R兩點上的外接制動電阻REB。當電動機制動時，能量經逆變器回饋到直流側，使直流側濾波電容上的電壓升高，當該值超過設定值時，即自動給VB施加基極信號，使之導通，將RB(REB)與電容器并聯，則存儲于電容中的再生能量經RB（REB）消耗掉。驅動器的制動電阻是否外置由驅動器容量決定，一般7.5kW以下內置。容量大的驅動器，其制動電阻和開關管需要大面積散熱器，內置受驅動器殼體和散熱限制，須外置。電動機的快速制動或準確停車，一般采用動力制動和再生制動。對于動力制動方式，系統所需的制動轉矩在電動機額定轉矩的20%以下且制動并不快時，則不需要外接制動電阻，僅電動機內部的有功損耗，就可以使直流側電壓限制在過電壓保護的動作值以下。反之，則需要選擇制動電阻來耗散電動機再生的這部分能量。3.4.3回生電阻計算2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut12TB為制動轉矩，GDM為電動機的飛輪距（N·m），GDL是負載折算到電動機軸上的飛輪距（N·m），n1、n2分別是減速前、后的速度（r/min），t減為減速時間（s），TL是負載轉矩（N·m）。REB為制動電阻（Ω），UCD是直流電壓（V），TM是電動機額定轉矩（N·m）。3.4.4IO接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut133.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut143.4.4IO接口-脈沖輸入2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut15脈沖命令輸入接線圖（差動輸入）高速脈沖命令輸入（差動輸入）高速位置脈沖只接受差動（+5V）方式輸入，單相最高脈沖頻率4MHz，命令的形式有AB相、正轉脈沖列及逆轉脈沖列、脈沖加方向這三種脈沖方式，可由參數P1-00（外部脈沖列輸入型式設定）來選擇，默認為脈沖加方向。位置脈沖可以用差動單相最高脈沖頻率500KHz3.4.4IO接口-脈沖輸出2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut16編碼器位置輸出

（Linedriver）編碼器位置輸出（光耦合器）伺服驅動器的脈沖指令輸出口是將編碼器的A、B、Z信號以差動方式輸出，或者OCZ輸出即Z相采用集電極開路輸出3.4.4IO接口-數字量輸入2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut17引腳引腳名稱對應參數參數功能參數默認值DI信號名稱含義9DI1P2-10數字輸入接腳DI1功能規劃0x0101SON此信號接通時，伺服啟動(ServoOn)10DI2P2-11數字輸入接腳DI2功能規劃0x0104CCLR清除脈沖計數緩存器，此信號導通時驅動器的位置累積脈沖誤差量被清零34DI3P2-12數字輸入接腳DI3功能規劃0x0116TCM0內部緩存器扭矩命令選擇8DI4P2-13數字輸入接腳DI4功能規劃0x0117TCM1內部緩存器扭矩命令選擇33DI5P2-14數字輸入接腳DI5功能規劃0x0102ARST發生異常后，造成異常原因已排除后，此信號接通則驅動器顯示的異常信號清除。32DI6P2-15數字輸入接腳DI6功能規劃0x0022NL（CWL）逆向運轉禁止極限（常閉接點）31DI7P2-16數字輸入接腳DI7功能規劃0x0023PL（CCWL）正向運轉禁止極限（常閉接點）30DI8P2-17數字輸入接腳DI8功能規劃0x0021EMGS此信號接通時，電機緊急停止（常閉接點）3.4.4IO接口-數字量輸入2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut183.4.4IO接口-數字量輸出2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut19引腳引腳名稱對應參數參數功能參數默認值DO信號名稱含義7DO1+P2-18數字輸出接腳DO1功能規劃0x0101SRDY當驅動器通電后，控制回路與電機電源回路均無異警（ALRM）發生時輸出為ON6DO1-5DO2+P2-19數字輸出接腳DO2功能規劃0x0104ZSPD當電機運轉速度低于零速度（參數P1-38）的速度設定時，此信號輸出信號。4DO2-3DO3+P2-20數字輸出接腳DO3功能規劃0x0116HOME當完成原點復歸，此信號ON2DO3-1DO4+P2-21數字輸出接腳DO4功能規劃0x0117TPOS當電機命令與實際位置的誤差（PULSE）小于參數P1-54設定值時，此輸出為ON26DO4-28DO5+P2-22數字輸出接腳DO5功能規劃0x0102ALRM當伺服發生警示時，此信號輸出信號（除了正反極限，緊急停止，通訊異常，低電壓為輸出WARN警告輸出）27DO5-3.4.4IO接口-數字量輸出2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut203.4.4IO接口-模擬量輸入輸出2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut21速度、扭矩模擬命令輸入模擬監視輸出MON1，MON23.4.6通信接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut22EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信EtherCAT是由德國的Beckhoff公司開發的，并且在2003年年底成立了ETG工作組(

Ethernet

Technology

Group)。EtherCAT

是一個可用于現場級的超高速I/O網絡，它使用標準的以太網物理層和常規的以太網卡，傳輸介質可為雙絞線或光纖。一般常規的工業以太網都是采用先接收通信幀，進行分析后作為數據送入網絡中各個模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網協議幀中已經包含了網絡中各個模塊的數據。EtherCAT協議標準幀結構如圖3-31所示，應用如圖3-32所示。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut23EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信PROFIBUS(ProcessFieldbus的縮寫)是由Siemens等公司組織開發的一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準。其先后成為德國和歐洲的現場總線標準(DIN19245和ENS0170)，并于2000年成為IEC61158國際現場總線標準之一，2001年成為我國的機械行業標準JB/T10308.3-2001。（1）最大傳輸信息長度為255B，最大數據長度為244B，典型長度為120B。（2）網絡拓撲為線型、樹型或總線型，兩端帶有有源的總線終端電阻。（3）傳輸速率取決于網絡拓撲和總線長度，從9.6Kb/s到12Mb/s不等。（4）站點數取決于信號特性，如對屏蔽雙絞線，每段為32個站點(無轉發器)，最多127個站點(帶轉發器)。（5）傳輸介質為屏蔽/非屏蔽或光纖。（6）當用雙絞線時，傳輸距離最長可達9.6km，用光纖時，最大傳輸長度為90km。（7）傳輸技術為DP和FMS的RS-485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸和光纖傳輸。（8）采用單一的總線訪問協議，包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。（9）數據傳輸服務包括循環和非循環兩類。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut24EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信以太網(Ethernet)指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802.3系列標準相類似。包括標準的以太網（10Mbit/s)、快速以太網（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3。總線型：所需的電纜較少、價格便宜、管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，易造成網絡擁塞。早期以太網多使用總線型的拓撲結構，采用同軸纜作為傳輸介質，連接簡單，通常在小規模的網絡中不需要專用的網絡設備，但由于它存在的固有缺陷，已經逐漸被以集線器和交換機為核心的星型網絡所代替。星型：管理方便、容易擴展、需要專用的網絡設備作為網絡的核心節點、需要更多的網線、對核心設備的可靠性要求高。采用專用的網絡設備（如集線器或交換機）作為核心節點，通過雙絞線將局域網中的各臺主機連接到核心節點上，這就形成了星型結構。星型網絡雖然需要的線纜比總線型多，但布線和連接器比總線型的要便宜。此外，星型拓撲可以通過級聯的方式很方便的將網絡擴展到很大的規模，因此得到了廣泛的應用，被絕大部分的以太網所采用。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut25EtheCAT通信PROFIBUS通信以太網無線通信CANopen通信MODBUS通信DMCNET通信CANopen是一種架構在控制局域網路（ControllerAreaNetwork，CAN）上的高層通訊協定，包括通訊子協定及設備子協定常在嵌入式系統中使用，也是工業控制常用到的一種現場總線。CANopen實現了OSI模型中的網絡層以上（包括網絡層）的協定。CANopen標準包括尋址方案、數個小的通訊子協定及由設備子協定所定義的應用層。CANopen支援網絡管理、設備監控及節點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。一般而言數據鏈結層及物理層會用CAN來實作。除了CANopen外，也有其他的通訊協定（如EtherCAT）實作CANopen的設備子協定。3.4.6通信接口2024/8/7伺服系統與工業機器