3.2　伺服電機及其驅動應用

伺服系統（Feed Servo System）是以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統。將檢測裝置裝在伺服電機軸或傳動裝置末端，通過間接測量移動部件位移來進行位置反饋的進給系統稱為半閉環伺服系統。在半閉環伺服系統中，將編碼器和伺服電機作為一個整體，編碼器完成角位移檢測和速度檢測。YL-335B輸送單元采用的是圖3-8所示的半閉環伺服系統。

伺服電機又稱執行電機，它是控制電機的一種。伺服電機可以把輸入的電壓信號變換為電機軸上的角位移和角速度等機械信號輸出，改變輸入電壓的大小和方向，就可以改變轉軸的轉速和轉向。

伺服電機可分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類。直流伺服電機的輸出功率通常為1～600W，有的可達上千瓦，用于功率較大的控制系統；交流伺服電機的輸出功率較小，一般為0.1～100W，用于功率較小的控制系統。

交流伺服電機實際上是一臺小型或微型的兩相異步電動機，它與普通異步電動機相比具有如下特點：①無“自轉”現象，即控制電壓為零時，電機自行停轉；②快速響應，即對控制電壓反應很靈敏；③調速范圍寬；④具有線性的機械特性。

交流伺服電機是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率變化范圍大，慣量大，因而適于低速平穩運行的系統。

3.2.1　永磁交流伺服系統概述

現代高性能的伺服系統大多數采用永磁交流伺服系統，其中包括永磁同步交流伺服電機和全數字交流永磁同步伺服驅動器兩部分。

1.交流伺服電機的工作原理

交流伺服電機內部的轉子是永久磁鐵，驅動器控制的U、V、W三相電流形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器將反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度。伺服電機實物及結構概圖如圖3-9所示。注意，交流伺服電機最容易損壞的是電機的編碼器，因為其中有很精密的玻璃碼盤和光電器件，因此電機應避免強烈的震動，不得敲擊電機的端部和編碼器部分。

交流永磁同步伺服驅動器主要包括伺服控制單元、功率驅動單元、通信接口單元、伺服電動機及相應的反饋檢測器件，其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等等。伺服系統控制結構如圖3-10所示。

伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優點是可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。

功率驅動單元首先通過整流電路（AC→DC）對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。再通過三相正弦PWM電壓型逆變器來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。

逆變部分（DC→AC）采用功率器件集成驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊（IPM），主要拓撲結構是采用了三相橋式電路，原理見圖3-11。脈寬調制技術PWM（Pulse Width Modulation）通過改變功率晶體管交替導通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小，以達到調節功率的目的。

2.交流伺服系統的位置控制模式

圖3-10和圖3-11說明以下兩點。

① 伺服驅動器輸出到伺服電機的三相電壓波形基本是正弦波（高次諧波被繞組電感濾除），而不是像步進電機那樣是三相脈沖序列。

② 伺服系統用作定位控制時，位置指令輸入到位置控制器，速度控制器輸入端前面的電子開關切換到位置控制器輸出端，同樣，電流控制器輸入端前面的電子開關切換到速度控制器輸出端。因此，位置控制模式下的伺服系統是一個三閉環控制系統，兩個內環分別是電流環和速度環。

由自動控制理論可知，這樣的系統結構提高了系統的快速性、穩定性和抗干擾能力。在足夠高的開環增益下，系統的穩態誤差接近為零，也就是說，在穩態時，伺服電機以指令脈沖和反饋脈沖近似相等時的速度運行。反之，在達到穩態前，系統將在偏差信號作用下驅動電機加速或減速。若指令脈沖突然消失（例如緊急停車時，PLC立即停止向伺服驅動器發出驅動脈沖），伺服電機仍會運行到反饋脈沖數等于指令脈沖消失前的脈沖數才停止。

3.位置控制模式下電子齒輪的概念

位置控制模式下，等效的單閉環位置控制系統方框圖如圖3-12所示。

圖3-12中，指令脈沖信號和電機編碼器反饋脈沖信號進入驅動器后，均通過電子齒輪變換才進行偏差計算。電子齒輪實際是一個分-倍頻器，合理搭配它們的分-倍頻值，可以靈活地設置指令脈沖的行程。

3.2.2　認知交流伺服電機及驅動器

以松下MADKT1507E全數字交流永磁同步伺服驅動裝置驅動MHMD022G1U永磁同步電機為例說明交流伺服驅動的控制過程。

MHMD022G1U的含義：MHMD表示電機類型為大慣量，02表示電機的額定功率為200W，2表示電壓規格為200V，G表示編碼器為增量式編碼器，脈沖數為20位，分辨率1048576，輸出信號線數為5根線。

MADKT1507E的含義：MADK表示松下A5系列A型驅動器，T1表示最大額定電流為10A，5表示電源電壓規格為單相/三相200V，07表示電流檢測器額定電流為7.5A，E表示位置控制專用。

松下的伺服驅動器有七種控制運行方式，即位置控制、速度控制、轉矩控制、位置/速度控制、位置/轉矩控制、速度/轉矩控制、全閉環控制。位置方式就是輸入脈沖串來使電機定位運行，電機轉速與脈沖串頻率相關，電機轉動的角度與脈沖個數相關；速度控制方式有兩種，一是通過輸入直流-10V至+10V指令電壓調速，二是選用驅動器內設置的內部速度來調速；轉矩方式是通過輸入直流-10V至+10V指令電壓調節電機的輸出轉矩，這種方式下運行必須要進行速度限制，有如下兩種方法：①通過設置驅動器內的參數來限制；②通過輸入模擬量電壓限速。

3.2.3　伺服電機及驅動器的硬件接線

伺服電機及驅動器與外圍設備之間的接線圖如圖3-13所示，輸入電源經斷路器、濾波器后直接到控制電源輸入端（XA），伺服電機的編碼器輸出信號接到驅動器的編碼器接入端（X6），相關的I/O控制信號（X4）還要與PLC等控制器相連接，伺服驅動器還可以與計算機相連，用于參數設置。

1.主回路的接線

MADKT1507E伺服驅動器的主接線圖如圖3-14所示。

XA：電源輸入接口，AC220V電源連接到L1、L3主電源端子，同時連接到控制電源端子L1C、L2C上。

XB：電機接口和外置再生放電電阻器接口。U、V、W端子用于連接電機。必須注意，電源務必按照驅動器銘牌上的指示連接，電機接線端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服電機的旋轉方向不像感應電動機可以通過交換三相相序來改變，必須保證驅動器上的U、V、W、E接線端子與電機主回路接線端子按規定的次序一一對應，否則可能造成驅動器的損壞。電機的接線端子和驅動器的接地端子以及濾波器的接地端子必須保證可靠的連接到同一個接地點上。機身也必須接地。B1、B3、B2端子是外接放電電阻，YL-335B沒有使用外接放電電阻。

2.電機的光電編碼器與伺服驅動器的接線

在YL-335B中使用的是MHMD022G1U伺服電機編碼器為增量式編碼器，脈沖數為20位，分辨率1048576，輸出信號線數為5根線。接線如圖3-15所示。

X6為連接到電機編碼器信號接口，連接電纜應選用帶有屏蔽層的雙絞電纜，屏蔽層應接到電機側的接地端子上，并且應確保將編碼器電纜屏蔽層連接到插頭的外殼（FG）上。

3.PLC控制器與伺服驅動器的接線

X4為I/O控制信號端口，其部分引腳信號定義與選擇的控制模式有關，不同模式下的接線請參考《松下MINAS A5系列伺服電機·驅動器使用說明書（綜合篇）》。

I/O控制信號連接器X4的定義見圖3-16，其中有10路開關量輸入點，在YL-335B中使用了3個輸入端口，29（SRV-ON）伺服使能端接低電平，8（CWL）接左限位開關輸入，9（CCWL）接右限位開關輸入；有6路開關量輸出，只用到了37（ALM）伺服報警；有2路脈沖量輸入，在YL-335B中分別用做脈沖和方向指令信號連接到S7-226PLC的高速輸出端Q0.0和Q0.1；有4路脈沖量輸出，在YL-335B中未使用。

這里重點說明一下兩路脈沖兩輸入的內部接口電路，如圖3-16右上部所示，輸入方式為光耦輸入，可與差分或集電極開路輸出電路連接，圖中OPC1/2相對PULS1和SIGN1串聯了一個2.2kΩ的電阻。YL-335B中采用了集電極開路輸入（無外部電阻）方式。

3.2.4　伺服驅動器的參數設置

MADKT1507E伺服驅動器的參數共有210個，Pr000-Pr639可以通過與PC連接后在專門的調試軟件Panaterm上進行設置，也可以在驅動器的面板上進行設置。

在PC上安裝相關軟件后，通過與伺服驅動器建立起通信，可將伺服驅動器的參數狀態讀出或寫入，非常方便，如圖3-17所示。當現場條件不允許或修改少量參數時，可通過驅動器上的操作面板來完成，操作面板如圖3-18所示，各個按鈕的說明見表3-4。

面板操作說明如下。

① 參數設置，先按“SET”鍵，再按“MODE”鍵選擇“Pr00”后，按向上、向下或向左的方向鍵選擇通用參數的項目，按“SET”鍵進入。然后按向上、向下或向左的方向鍵調整參數，調整完后，長按“SET”鍵返回。選擇其他項再調整。

② 參數保存，按“MODE”鍵，選擇“EE-SET”后按“SET”鍵確認，出現“EEP -”，然后按向上鍵3秒鐘，出現“FINISH”或“RESET”，然后重新上電即保存。