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1、台湾永宏.上海范堤.厦门永陞 产品处,伺服培训,培训大纲,伺服概述 A3伺服产品 伺服选型,第一章：伺服概述 FATEK-值得您信赖的品牌,第一章：伺服概述,1.1 伺服Servo:,伺服来源于希腊语的Servus (英语为Slave:奴隶)。 奴隶的作用是忠实地遵从主人的命令从事劳力工作（服从/服务）。 特点目标指令，能够高精度、灵敏、迅速、自动作出动作反应的装置。,遵命!主人,实物,第一章：伺服概述,1.2 伺服定义,伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。 在自动控制系统中，能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统，亦
2、称伺服系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。,第一章：伺服概述,1.3 自动控制应用举例:,生活中自动控制的例子,水量（少、一半、7成程度、 全满） 需要时间（需要点時間；快点；慢慢地）,这个时候的人行动 扭开关 监视水龙头的水流 调节开关的大小 监视杯子里的水流 当目标水量接近时 关闭开关,人根据杯子的水量、无意识地思考需要时间。,指示：手（肌肉）指挥,第一章：伺服概述,从系统组成元件的性质来看: 有电气伺服系统、液压伺服系统和电气-液压伺服系统及电气-电气伺服系统等 从系统输出量的物理性质来看: 有速
3、度或加速度伺服系统和位置伺服系统等 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看: 有模拟式伺服系统和数字式伺服系统 从系统的结构特点来看: 有单回伺服系统、多回伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。,1.4 伺服系统分类:,第一章：伺服概述,A、开环-即无位置反馈的系统 其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。 它的结构简单、易于控制，但缺点是精度差，低速不平稳，扭矩小。 一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。,B、闭环-误差控制随动随动系统 数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台实际位置的差值。 主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。,第
4、一章：伺服概述,半闭环伺服系统 半闭环伺服系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,第一章：伺服概述,1.4伺服系统的架构,負荷 （球等）,感应器数据 (位置,状態）,驱动器 （伺服放大器）,马达 （伺服马达）,指令信号 （位置、速度、力矩）,反馈信号 （位置、完成信号、状態信号）,反馈器（感应器）,控制器 （PLC等）,第一章：伺服概述,1.4伺服系统的架构,位 置 控制器,外部速度,外部扭矩,位置脉冲,数字輸入,数字輸出,模拟量輸出监控,ABZ輸出,I/O及控制电缆,速 度 控制器,电 流 控制器,GATE D
5、RIVER,数据线,串列通訊,编码器电缆,ENCODER SIGNAL,CURRENT SENSOR,伺服同步 參数調整 介面处理,编 码 器 信号处理,电 流 信号处理,RS-232 RS-485,第一章：伺服概述,1.5伺服驱动器的构成,伺服放大器的构成伺服放大器的构成,伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器。属于伺服系统的一部分。 一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。,位置,电流,速度,电流 变换,伺服电机,位置环,速度环,电流环,速度 感应器,位置
6、感应器,伺服系统放大器基本构成图,负载,第一章：伺服概述,1.5伺服电机的构成,伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中驱动控制对象运转的发动机，可把接收到的电压信号转化为转矩和转速（以角速度或角位移方式）来驱动控制对象，使控制速度，位置精度非常准确。,Unicon A3 采用三相永磁同步电机为驱动电机。 电机分为定子和转子,定子是由铁心,内装成星形或者三角形的三相交流绕组构成,它是电机的电枢绕组,用以产生同步旋转磁场; 转子是由高磁性材料组成例如稀土制成的永磁式转子. 转子位置感应器主要是我们常用的编码器或者旋转变压器等组成.,第一章：伺服概述,1.5伺服电机的结构,马达轴,转子
7、（永久磁石）,定子（线圈）,刹车（可选）,感应器,转子,转子,转子,感应器,轴承,动力线 接口,编码器 线接口,第一章：伺服概述,1.6 伺服电机的编码器,作用：速度控制或位置控制系统的检测元件. 类别：数字传感器 分类：增量型和绝对型。,增量式编码器 将位移转换成周期性的电信号， 再把电信号转变成计数脉冲，用 脉冲的个数表示位移的大小。,绝对式编码器 每一个位置对应一个确定的数字码 因此它的示值只与测量的起始和终止 位置有关，而与测量的中间过程无关,码盘刻线的差别,第一章：伺服概述,2.1 伺服与变频的区别, 变频电机特长优点： 1.维护容易。 2.耐环境性佳。 3.高速时，转矩特性佳。 4
8、.可制做大容量，效率佳。 5.构造坚固。 6.低价。,变频电机缺点： 1. 无法作高动态加减速 2. 低转速, 控速难平稳 3. 小容量机种，效率差。 4 . 停电时，无法动态剎车。,变频电机适用场合： 1. 控速变化较不激烈的产业 2. 大容量驱动功率需求。,第一章：伺服概述,2.2 伺服与步进的区别,第一章：伺服概述,2.3 DC 直流伺服马达,特长优点： 1.伺服驱动器构造简单。 2.停电时可发电剎车。 3.体积小、价格低。 4.效率佳。,缺点： 1.整流子外围需定期保养。 2.碳刷磨耗产生(碳粉)，无法 应用于要求凊絜的场所。 3.因整流器碳刷的问题，高速 时转矩差。 4.永久磁石有消
9、磁的可能。,第一章：伺服概述,2.4 伺服控制模式,P(位置)控制 S(速度)控制 T(扭矩)控制,第一章：伺服概述,3.1 一个好伺服必须具备的,高一致性、适应性,当整个机构来回运动时, 面对实时变化的摩擦力及工件的更换, 保持一致的性能是很重要的. 每一次的速度变化曲线是否一致 每一次的位置变化曲线是否一致,第一章：伺服概述,3.1 一个好伺服必须具备的,与负载对应的响应频宽 (JL + 1)*频宽(Hz) = 500,比如 JL = 9 , 頻宽 = 45Hz JL = 4 , 頻宽 = 90Hz,实际转动角度不能过多超越角度命令,在位置模式, 一般要求不能有明显的超越量, 至于超越量大
10、小的容許与应用场合相关. 在速度模式, 比较可以容許较大超越量,第一章结束,第二章：A3伺服产品 FATEK-值得您信赖的品牌,一、产品特色,一、 大幅降低电机脉冲转矩,10极电机转子、12极电机定子 （5对极）设计 - 降低65%电机脉冲转矩 - 提高20%的效率 - 低损失，超轻小型化，低振动场合,定子,转子,n=60f/p=3000/p 其中 n: 电机转速 f: 我国电网采用50Hz p: 电机极对数 1对极对数电机转速：3000转/分； 2对极对数电机转速：3000/2=1500转/分 4对极对数电机转速：3000/4=750转/分,电机的极对数越多，电机的转速就越低，但它的扭距就越
11、大；,一、产品特色,二、 优化的马达电磁结构设计,伺服电机的定子采用全新的叠压和拼接技术 - 降低电机温升， - 改善电机电磁特性 - 提高效率和可靠性。,产品特色,三、 伺服电机高、大、上的硬件配置,高、大、上的硬件配置 - 100W 7.5KW 功率段范围，机种齐全 - 搭配2500PPR(亨士乐）/17Bit （多摩川）编码器 - 10003000RPM 不同转速可选（可定制转速） - 小、中、大惯量可选 - 带制动/不带制动；油封/不带油封可选 - 高精致外观、低噪音、低震动的设计 ,四、优越的响应性能,快速定位与高响应优异的性能 - 整定时间1ms为0.84ms - 速度响应频宽为5
12、00 Hz - 空载从-3000rpm 3000rpm加速时间为7ms,产品特色,五、其他性能,机能多元性 - 具备位置、速度、转矩3种控制模可自如切换，可搭配各 种控制系统，达成最佳化的应用组合 主回路/控制回路电源分离 -保护协调性佳，点检容易 内建回生刹车晶体 - 400W驱动器标准内置 - 外接制动电阻时，需要将内置电阻去掉，不可同时使用 保护机制完善 -多种异常警报 专用上位机软件调试参数，灵活方便 - RS232/485接口 -软件简单易用,一、产品特色,100W7.5KW 2KW 单三相220VAC 3KW 三相380VAC,伺服驱动器 二、命名规则,USD A3 01 2 0
13、A B00 B,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),400-2KW有型号区分，其他型号的标配有,伺服电机 二、命名规则,USM A3 01 S 10 R 40 A,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),型号与规格表 二、命名规则,型号与规格表（续一） 二、命名规则,型号与规格表（续二） 二、命名规则,型号与规格表（续三） 二、命名规则,型号与规格表（续四） 二、命名规则,动力线命名规则 二、命名规则,USM A3 PL 03M 1.0 LB,(1),(2),(3),(4),(5),(6),动力线,1KW动力线,750W动力线,动力线
14、型号与规格表 二、命名规则,1KW外型,750W外型,动力线型号与规格表(续） 二、命名规则,编码器线命名规则 二、命名规则,USM A3 CN3 03M L,(1),(2),(3),(4),(5),编码器线,举例,1KW编码器线,750W编码器线,I.O控制插头命名 二、命名规则,USM A3 CN2 50PIN,(1),(2),(3),(4),IO控制插头,举例：,其他可选购配件列表 二、命名规则,产品配线示意 三、产品配线,特殊型号订购流程 四、其他,四、其他,最佳销售奖,第三章：伺服选型 FATEK-值得您信赖的品牌,Step 1. 电机选型 Step 2. 配线 Step 3. 调机
15、,试机事项,试机事项,1.1 电机选型 (电机的马力数是否足够或负载惯量是否太大) 1.1.1 取代现行使用者 (1) 检查电机瓦特数 = 小瓦特数扭矩输出较小，相同额定转速的750W电机相较 400W电机的扭矩输出为750/400 约1.87倍 (2) 检查电机额定转速 (1000, 2000, 3000RPM) = 例如:现行客户使用电机为相同瓦特数 750W但额定转速是 2000RPM则扭矩为3000/2000=1.5倍 也就是其可输出最大 扭矩大约是1.5倍 = 750W*1.5 = 1125W 约1KW 额定转速 3000RPM。 (3) 检查电机惯量 = 现行市场有低、中、高惯量等
16、不同的电机，选择低或中高惯 量的电机视使用者的需求而定，一般而言中高惯量的电机通 常其额定转速较低为1500,2000RPM，也就意味其输出扭矩 较相同瓦特数额定转速3000RPM的电机为高。,试机事项,1.1.1 取代现行使用者 (3) 检查电机惯量 = 假设电机在相同的瓦特数及额定转速的前提下 例如两颗电机惯量相差两倍，到底哪一个好呢? 低的或高的? 还是没有什么差别? = 视需求而定 (i)当惯量较高的电机其负载惯量比小于23倍时，则代表惯量 较低的电机只有12倍，这种低负载惯量比的应用情况通常 是要求较快响应，因为总惯量相差1.5倍以上了，所以选择低 惯量的电机为佳。 (ii)当惯量较
17、高的电机其负载惯量比大于10倍时，则代表惯量较 低的电机大于20倍，其总惯量相差甚小11 / 10.5，对响应的 要求而言没有太大的差别，唯一有可能的是高负载惯量比的 机械系统比较容易有一些共振因素存在，所以选择惯量较高 的或许较好。,1.1 电机选型 (电机的马力数是否足够或负载惯量是否太大) 1.1.2 全新开发的使用者(新开发的机械设备) T = J * + B * + TL Here J : 总合惯量，: 角加速度，B : 阻尼系数， :转速，TL : 外加扭矩力 ， T : 电机输出扭矩 通常为了简易起见，将 B * 忽略 T = J * + TL = T Tmax (J * + T
18、L ) * n Here Tmax : 电机最大的输出扭矩 n : 安全系数 至少为 1, = Vmax / ta,(1100-100)=1000rpm = 6000 degree/sec 假设大约在120o/3由100到达1100rpm *ta*6000 = 120/3 ta =0.0133sec=13.3ms = (1100-100)*2/60 ) / 0.0133 = 7.87*103 rad/s2 以400W 的电机为例 其规格为 最大扭矩 Tmax = 3.82 N-m ,电机惯量 Jm = 0.34e-4 Kg-m2 = Tmax (JL/Jm + 1) * Jm * ) * n
19、3.82 (JL/Jm + 1) * 0.34e-4 * 7.87e3 * 1.5, 取 n = 1.5 JL/Jm 9.5 , JL/Jm : 负载惯量比,应用例 : 直接带滚筒,1.1 电机选型 (电机的马力数是否足够或负载惯量是否太大) 1.1.3 高频度的运动条件 = Er805 即使能满足动态的性能要求，依然需兼顾长时间操作的需求，高频度且高响应的动作，常常引发电机过热的问题。 电机温度过热(电机本体不得超过110oC)，当温度过高时，会导致电机使用寿命的减短，及磁铁减磁的风险。 尾端金属壳内编码器的环温不得超过85oC (金属外壳约75oC)，当温度过高时，会使得编码器信号A,B,
20、Z 的输出产生Duty失真的现象，进而产生类似Er897 或其他Er的错误。 (1) 降低运动频度 (2) 降低加减速条件来降低电机输出扭矩 (3) 更换较大马力数,EMBU,试机事项,1.2 配线 ( 错误的配线所引发的困扰),1.2.1 常见的配线错误 (1) R,S,T 与 U,V,W 弄反了 = R,S,T 是接到220V 电源，而U,V,W是接到电机本体，两者如果弄反了，会引起炸机。 (2)煞车电阻 P,D,C = 出厂是内部刹车电阻直接连接在驱动器内部，如果需要外接就需要选择单接外部电阻的型号，否则会报警Er807。,1.2.1常见的配线错误 (3)电机的U, V, W 与驱动器上
21、U,V,W配对错了，或是其中有一相接线松脱了 由于使用手册上的不清楚(由左至右是W,V,U)，或是接线端子左右定义的混淆等因素，使得配线错误或配线松脱，会使得电机在一开始Servo On 手动JOG 时，立刻出现电机不动、动一下即停、Er805 等错误。而编码器的配线错误也有可能会引起相同的错误，要分辨两者的方法是在Servo Off 时，将Pr000设为2用手直接将电机顺逆时针转动，观察其数值是否正常变动，便可分辨出来，但以手转动电机时须注意人身安全的问题。 另外焊接军用接头端子时最好看清楚上面的字母标示，可以降低焊接错误的机率。,1.2.1 常见的配线错误 (4)电机的编码器配错线了，或是
22、其中有接线松脱了 一开电尚未有任何动作，即出现Er897错误，则很可能线脱落或是驱动器上的A,/A,B,/B,Z,/Z 其中有一些没对应到 一开电七段面板显示器没有任何显示，但是拔掉编码器接头，显示灯号就正常出现，则很可能+5V与GND 焊反了，或是焊错线导致进入等待 Flash 程序的状态。 一开始Servo On 便出现Er805，在(3)里面有叙述到分辨的方式。 Cable Shielding 方式为单边Shielding，端子接头接到驱动器上时，街头的金属外壳便直接短路到HeatSink了，与编码器的金属外壳并无接线可接。 在此建议当配完线要第一次动作前，先以JOG方式，先低速自行测试
23、驱动器是否正常转动，可以厘清是驱动器本身配线问题或是和上层控制器间命令传递出了问题。,1.2.2 与上层控制器间常见的配线错误 (1) 脉波命令的不动作 必须先确定接线是差动式或是开集极的方式 (i)差动输入 (Differential)：通常差动输入是问题较小的， 将Pr000设为2，或是使用Digital Scope 的command pulse，记得先将滤波关掉来检查问题 检查是否有Servo On 检查1-01模式是否设为Pt模式 = 检查显示器数值是否完全不动，如果完全不动，则很可能是线接错、上层并无送脉波下来。如果数值有正负1的变动或是单边动作则很可能是1-00 脉波方式设错(A/
24、B，正逆转，脉波+方向)。 (ii)开集极 (Open Collector)：常常主要原因是接线方式错误或是不兼容所致，尤其当其接脚方式与CH3 的C3方式不同时，上层通常有NPN 或PNP(欧系产品)、只有输出一只脚(此时可能须用上层的+24V 电源) 等问题。,1.2.2 与上层控制器间常见的配线错误 (2) 电机编码器OA,/OA, OB,/OB, OZ,/OZ的问题 (i)OA,/OA,OB,/OB 拉回上层 = 上层接受差动式输入，问题点较小，如果没信号，大多为接错线，若是要改变输出极性，可利用1-03来变更而无须对调线。 上层若只接受单一接脚输入，可以将OA,OB接到上层，但必须注
25、意信号共地的问题，可将GND(pin12,13,19) 连到上层的地。 =经常将OA,OB等信号拉回上层是为了形成位置回路，此时会下速度的模拟V_cmd到驱动器，这时如果极性反了会形成暴冲，可利用1-03 脉波极性或是1-01的扭矩输出方向控制，来解决此一问题。 (ii)OZ,/OZ拉回上层：通常是做归原点(Homing)用 =与安川是一样的差动输出，而三菱和松下则另外再多提供开集极 (NPN Open Collector)的单独接脚输出，若客户原来是使用安川则接法一样即可，若是松下或三菱且使用单脚开集极方式，如果上层Pull-high电源为+24V则必须再外接转接(类似NPN)，如为+5V则
26、可将OZ接到上层，但须注意与上层端共地的处理。 = 须注意若是不小心将上层的+24V电源接到OZ,/OZ那么会导至IC Chip 烧掉而无法正常输出。,1.2.2 与上层控制器间常见的配线错误 (3) DI (Digital Input) SON, 常见控制开关为Relay, 晶体管(亚系NPN， 欧系PNP) ，须先弄清楚是哪一种控制方式 (i)使用内部电源 ： VDD 需接到COM+ 当上层的控制输出为单一接脚时，要注意COM- (VDD:+24V的地)必须与上层共地，若上层为PNP输出，则有可能会有驱动不良的情形。 (ii)使用外部电源：上层所提供的+24V 需接到COM+ 另外Pr10
27、5Pr112 也要设对，DI所对应的功能才会正确。 (4) DO (Digital Output) - DO+、DO- (射极) NPN 输出 = 与安川、松下相同，如果客户使用安川或松下则接线相同。,DI(Digital Input) 的常见输入接法,5k,8.2k,24V,8.2k,0k,5k,5k,DO (Digital Output) 的常见输出接法,1.3 调机 (性能的适当调适),1.3.1 性能调适的基本观念 (1) 适当的机台伺服响应：响应调越高越好？ = 过高的响应带宽会导致一些异音及共振 (2)内回路的响应必须比外回路快 (3)善用好工具：调试软件 = 了解参数改变对动态响应所产生的效果 = 了解实际的动态运动状况,