3.2　伺服电机及其驱动应用

伺服系统（Feed Servo System）是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。将检测装置装在伺服电机轴或传动装置末端，通过间接测量移动部件位移来进行位置反馈的进给系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检测和速度检测。YL-335B输送单元采用的是图3-8所示的半闭环伺服系统。

伺服电机又称执行电机，它是控制电机的一种。伺服电机可以把输入的电压信号变换为电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出，改变输入电压的大小和方向，就可以改变转轴的转速和转向。

伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。直流伺服电机的输出功率通常为1～600W，有的可达上千瓦，用于功率较大的控制系统；交流伺服电机的输出功率较小，一般为0.1～100W，用于功率较小的控制系统。

交流伺服电机实际上是一台小型或微型的两相异步电动机，它与普通异步电动机相比具有如下特点：①无“自转”现象，即控制电压为零时，电机自行停转；②快速响应，即对控制电压反应很灵敏；③调速范围宽；④具有线性的机械特性。

交流伺服电机是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率变化范围大，惯量大，因而适于低速平稳运行的系统。

3.2.1　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机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。

1.交流伺服电机的工作原理

交流伺服电机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电流形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电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。伺服电机的精度决定于编码器的精度。伺服电机实物及结构概图如图3-9所示。注意，交流伺服电机最容易损坏的是电机的编码器，因为其中有很精密的玻璃码盘和光电器件，因此电机应避免强烈的震动，不得敲击电机的端部和编码器部分。

交流永磁同步伺服驱动器主要包括伺服控制单元、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，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等。伺服系统控制结构如图3-10所示。

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。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

功率驱动单元首先通过整流电路（AC→DC）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电压型逆变器来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

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），主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理见图3-11。脉宽调制技术PWM（Pulse Width Modulation）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，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。

2.交流伺服系统的位置控制模式

图3-10和图3-11说明以下两点。

① 伺服驱动器输出到伺服电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），而不是像步进电机那样是三相脉冲序列。

② 伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，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。

由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零，也就是说，在稳态时，伺服电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，等效的单闭环位置控制系统方框图如图3-12所示。

图3-12中，指令脉冲信号和电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。

3.2.2　认知交流伺服电机及驱动器

以松下MADKT1507E全数字交流永磁同步伺服驱动装置驱动MHMD022G1U永磁同步电机为例说明交流伺服驱动的控制过程。

MHMD022G1U的含义：MHMD表示电机类型为大惯量，02表示电机的额定功率为200W，2表示电压规格为200V，G表示编码器为增量式编码器，脉冲数为20位，分辨率1048576，输出信号线数为5根线。

MADKT1507E的含义：MADK表示松下A5系列A型驱动器，T1表示最大额定电流为10A，5表示电源电压规格为单相/三相200V，07表示电流检测器额定电流为7.5A，E表示位置控制专用。

松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩控制、速度/转矩控制、全闭环控制。位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度控制方式有两种，一是通过输入直流-10V至+10V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-10V至+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：①通过设置驱动器内的参数来限制；②通过输入模拟量电压限速。

3.2.3　伺服电机及驱动器的硬件接线

伺服电机及驱动器与外围设备之间的接线图如图3-13所示，输入电源经断路器、滤波器后直接到控制电源输入端（XA），伺服电机的编码器输出信号接到驱动器的编码器接入端（X6），相关的I/O控制信号（X4）还要与PLC等控制器相连接，伺服驱动器还可以与计算机相连，用于参数设置。

1.主回路的接线

MADKT1507E伺服驱动器的主接线图如图3-14所示。

XA：电源输入接口，AC220V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。

XB：电机接口和外置再生放电电阻器接口。U、V、W端子用于连接电机。必须注意，电源务必按照驱动器铭牌上的指示连接，电机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电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、E接线端子与电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保证可靠的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。

2.电机的光电编码器与伺服驱动器的接线

在YL-335B中使用的是MHMD022G1U伺服电机编码器为增量式编码器，脉冲数为20位，分辨率1048576，输出信号线数为5根线。接线如图3-15所示。

X6为连接到电机编码器信号接口，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。

3.PLC控制器与伺服驱动器的接线

X4为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系列伺服电机·驱动器使用说明书（综合篇）》。

I/O控制信号连接器X4的定义见图3-16，其中有10路开关量输入点，在YL-335B中使用了3个输入端口，29（SRV-ON）伺服使能端接低电平，8（CWL）接左限位开关输入，9（CCWL）接右限位开关输入；有6路开关量输出，只用到了37（ALM）伺服报警；有2路脉冲量输入，在YL-335B中分别用做脉冲和方向指令信号连接到S7-226PLC的高速输出端Q0.0和Q0.1；有4路脉冲量输出，在YL-335B中未使用。

这里重点说明一下两路脉冲两输入的内部接口电路，如图3-16右上部所示，输入方式为光耦输入，可与差分或集电极开路输出电路连接，图中OPC1/2相对PULS1和SIGN1串联了一个2.2kΩ的电阻。YL-335B中采用了集电极开路输入（无外部电阻）方式。

3.2.4　伺服驱动器的参数设置

MADKT1507E伺服驱动器的参数共有210个，Pr000-Pr639可以通过与PC连接后在专门的调试软件Panaterm上进行设置，也可以在驱动器的面板上进行设置。

在PC上安装相关软件后，通过与伺服驱动器建立起通信，可将伺服驱动器的参数状态读出或写入，非常方便，如图3-17所示。当现场条件不允许或修改少量参数时，可通过驱动器上的操作面板来完成，操作面板如图3-18所示，各个按钮的说明见表3-4。

面板操作说明如下。

① 参数设置，先按“SET”键，再按“MODE”键选择“Pr00”后，按向上、向下或向左的方向键选择通用参数的项目，按“SET”键进入。然后按向上、向下或向左的方向键调整参数，调整完后，长按“SET”键返回。选择其他项再调整。

② 参数保存，按“MODE”键，选择“EE-SET”后按“SET”键确认，出现“EEP -”，然后按向上键3秒钟，出现“FINISH”或“RESET”，然后重新上电即保存。