认知伺服电动机与驱动器介绍

1. 永磁交流伺服系统概述

现代高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字永磁同步交流伺服驱动器两部分。

1）交流伺服电动机工作原理

交流伺服电动机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流永磁同步伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成。其中，伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。系统结构组成如图2-13 所示。

图2-13　系统结构组成

伺服驱动器控制交流永磁伺服电动机（PMSM）时，可分别工作在电流（转矩）、速度、位置控制方式下。

伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。

功率驱动单元首先通过整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。再通过三相正弦PWM（脉宽调制）电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电动机。

逆变部分（DC—AC）采用功率器件集成驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要拓扑结构采用了三相桥式电路，原理如图2-14 所示。它利用脉宽调制（PWM）技术，通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比。也就是说，通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小，以达到调节功率的目的。

图2-14　三相逆变电路原理图

2）交流伺服系统的位置控制模式

（1）伺服驱动器输出到伺服电动机的三相电压波形基本是正弦波（高次谐波被绕组电感滤除），而不是像步进电动机那样的三相脉冲序列，即使从位置控制器输入的是脉冲信号。

（2）伺服系统用作定位控制时，位置指令输入位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端。同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。因此，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。

在稳态时，伺服电动机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。反之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电动机加速或减速。若指令脉冲突然消失（例如，紧急停车时，PLC 立即停止向伺服驱动器发出驱动脉冲），伺服电动机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。

3）位置控制模式下电子齿轮的概念

位置控制模式下，等效的单闭环系统框图如图2-15 所示。

图2-15　等效的单闭环系统框图

图中，指令脉冲信号和电动机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后，均通过电子齿轮变换才进行偏差计算。电子齿轮实际是一个分-倍频器，合理搭配它们的分-倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。

2. 松下MINAS A5 系列AC 伺服电动机及伺服驱动器

在YL-335B 的传输单元中，采用了松下MINAS A5 系列的MSME022G1S 型永磁同步交流伺服电动机和MADHT1507E 型全数字交流永磁同步伺服驱动装置，作为运输机械手的运动控制装置。该伺服电动机外观及各部分名称如图2-16 所示。(www.xing528.com)

图2-16　MSME022G1S 型永磁同步交流伺服电动机的外观及各部分名称

MSME022G1S 的含义：MSME 表示电动机类型为大惯量；02 表示电动机的额定功率为200 W；2 表示电压规格为200 V；G 表示编码器为增量式编码器，脉冲数为2 500 p/r，分辨率为10 000，输出信号线数为5；1S 表示标准设计，电动机结构为有键槽、无保持制动器、无油封。

MADHT1507E 的含义：MADHT 表示松下A5 系列A 型驱动器；T1 表示最大瞬时输出电流为10 A；5 表示电源电压规格为单相200 V；07 表示电流监测器额定电流为7.5 A；E 表示A5E 系列。驱动器的外观和面板如图2-17 所示。

图2-17　伺服驱动器的外观及面板

下面着重介绍该伺服驱动器的接线和参数设置。

1）接 线

（1）XA：电源输入接口，AC 220 V 电源连接到L1、L3 主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C 上。

（2）XB：电动机接口和外置再生放电电阻器接口。U、V、W 端子用于连接电动机。必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电动机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电动机的旋转方向不像感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W 接线端子与电动机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。电动机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须可靠连接到同一个接地点上。机身也必须接地。B1、B3、B2 端子是外接放电电阻（YL-335B 没有使用外接放电电阻）。

（3）X6：连接到电动机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电动机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。

（4）X4：I/O 控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下MINAS A5 系列驱动器使用手册》。YL-335B 传输单元中，伺服电动机用于定位控制，选用位置控制模式。

2）伺服驱动器的参数设置与调整

松下的伺服驱动器有7 种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。

位置方式就是输入脉冲串来使电动机定位运行，电动机转速与脉冲串频率相关，电动机转动的角度与脉冲个数相关。速度方式有两种：一是通过输入直流-10～+10 V 指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速。转矩方式是通过输入直流-10～+10 V 指令电压调节电动机的输出转矩。这种方式下运行必须要进行速度限制，有两种限速方法：一是设置驱动器内的参数来限速，二是输入模拟量电压限速。

图2-18　伺服驱动器电气接线图

3）参数设置方式操作说明

MADHT1507E 型伺服驱动器的参数分为7 类，共有210 个（Pr0.00～Pr6.39）。参数可以通过与PC 连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在驱动器的面板上进行设置，包括分类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）；分类4（I/F 监视器设定）；分类5（扩展设定）；分类6（特殊设定）。

在计算机上安装驱动器参数设置软件PANATERM 后，通过与伺服驱动器建立起通信，就可读取伺服驱动器的参数状态，然后进行修改或设置，再写入驱动器，使用非常方便，如图2-19 所示。

图2-19　驱动器参数设置软件PANATERM