摘要：伺服電機(jī)一般作為精確定位控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)用越來越廣泛。而伺服放大器作為伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制部件，與伺服電機(jī)組成一個(gè)完整的伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，慣量小，噪音小，效率高，維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，使得伺服電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色，大有取代交流電機(jī)的趨勢。本文以三菱的伺服系統(tǒng)為例子講解伺服電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī);三菱伺服系統(tǒng);伺服參數(shù)設(shè)定

Research of using Mitsubishi servo system

ZHAO Pei-qing

(SHANDONG University, Jinan 250061 China)

Abstract: Servo motors are generally used as precise positioning actuator, and which are used more and more widely。Servo amplifiers are some sections which can drive servo motors and can form a complete servo system with servo motors. Servo motors have big starting torque, high control accuracy, fast dynamic response, small inertia, low noise, high efficiency, easy maintenance and so on, so that servo motors play an increasingly important role in the production of industrial automation, which will replace AC motor. In this essay, the author will use Mitsubishi servo system as an example to explain the method of servo motor applications in industrial production.

Key words: servo motor; Mitsubishi servo system; servo parameter setting.

引言：伺服電機(jī)的在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，所以對其的使用方法和技巧的研究就勢在必行。本文首先介紹伺服電機(jī)的概況，然后重點(diǎn)講解三菱的某一型號的伺服電機(jī)和伺服放大器的使用經(jīng)驗(yàn)和注意事項(xiàng)。由于三菱公司的伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是類似的，所以將此經(jīng)驗(yàn)推廣到整個(gè)三菱公式的伺服系統(tǒng)中是可行的。

1.伺服電機(jī)概述

1.1 伺服電機(jī)的定義和分類

伺服一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)作得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動(dòng)作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能立即自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

伺服電電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受到輸入信號的控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)輸入信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

對于直流伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是:精確的速度控制,轉(zhuǎn)矩速度特性很硬,原理簡單，使用方便,價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是:電刷換向帶來的一系列問題,速度有限制,存在附加阻力,會(huì)產(chǎn)生磨損微粒(對于無塵室)。

對于交流伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是:

1.    具有良好的速度控制特性，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩;

2.    具有很高的效率，效率可達(dá)90%以上，不發(fā)熱;

3.    可實(shí)現(xiàn)高速控制;

4.    可實(shí)現(xiàn)高精度位置控制;

5.    能夠在額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒力矩;

6.    低噪音;

7.    沒有電刷的磨損，免維護(hù);

8.    不會(huì)產(chǎn)生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環(huán)境；

9.    慣量低。

1.2 伺服電機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)

圖1 伺服電機(jī)

上正式推出MAC永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這標(biāo)志著新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個(gè)伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)。早期的模擬控制系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在著不足，不能完全滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)行。

到目前為止，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，控制驅(qū)動(dòng)器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

2.伺服電機(jī)的工作原理簡介

由于交流伺服電機(jī)應(yīng)用的最為廣泛，所以下面主要介紹交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電動(dòng)機(jī)，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。

交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時(shí)，它不應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已經(jīng)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號消失，它應(yīng)該能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。   

當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場?？梢园衙}動(dòng)磁場看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動(dòng)勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號的增強(qiáng)，磁場接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180°，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場將是脈動(dòng)磁場，轉(zhuǎn)子很快地停下來。

為使交流伺服電機(jī)具有控制信號消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率大于1。在電機(jī)運(yùn)行過程中，如果控制信號降為“零”，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場，此脈動(dòng)磁場可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成。一旦控制信號消失，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。必須指出，普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常情況下都是在對稱狀態(tài)下工作，不對稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對稱運(yùn)行來達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。

伺服電機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

3．三菱伺服系統(tǒng)硬件介紹

伺服電機(jī)一般作為精確定位控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)用越來越廣泛，而伺服放大器作為伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制部件，與伺服電機(jī)組成一個(gè)完整的伺服系統(tǒng)，伺服放大器能夠接收PLC的脈沖驅(qū)動(dòng)信號，并將該信號進(jìn)行放大處理，然后將處理后的信號輸出給伺服電機(jī)。

圖2 三菱PLC與三菱伺服系統(tǒng)的連接圖

圖2就是一個(gè)為了實(shí)現(xiàn)PLC發(fā)送脈沖給伺服放大器，然后由伺服放大器將信號處理后輸出給伺服電機(jī)的連線實(shí)例，如圖所示，其中PLC型號為FX3U，伺服電機(jī)型號為HF-KN23J-S100，伺服放大器型號為MR-E20A-KH003，該伺服放大器必須與上述伺服電機(jī)配套使用，具體配套使用請參閱三菱伺服放大器使用手冊。伺服放大器的CNP1端子排應(yīng)連接電源的輸入；CNP2端子通過電源線連接至伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)；CN2端子通過編碼線連接至伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的編碼器通過編碼線將信號反饋給伺服放大器，用于實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制；CN1端子排是控制信號端子排，上述型號的伺服放大器對伺服電機(jī)的控制模式有三種，位置控制模式，速度控制模式，位置/速度控制模式，而伺服放大器各個(gè)控制信號端子的實(shí)際功能根據(jù)控制模式的不同略有不同，具體請參閱三菱伺服放大器的使用手冊（三菱的某些伺服放大器對伺服電機(jī)的控制模式有六種，例如MR-J2S-A系列）。在圖1中，位置控制模式下CN1的1號和2號端子分別是VIN（數(shù)字I/F用電源輸入）和OPC（集電極開路電源輸入），這兩個(gè)端子需連接+24V電源，3號端子是RES（復(fù)位），8號和13號端子分別是EMG（外部緊急停止）和SG（數(shù)字I/F用公共端），為了保證伺服電機(jī)能夠正常工作，EMG端子必須連接至0V，SG作為數(shù)字I/F用公共端也必須連接至0V,23號和25號端子分別是PP（正轉(zhuǎn)脈沖串）和NP（反轉(zhuǎn)脈沖串）。

為了使圖2所示的伺服系統(tǒng)能夠正常工作，還需要做5點(diǎn)說明。

1.PLC的輸出Y0的COM端必須與整個(gè)系統(tǒng)的公共COM端連接到一起，不然PLC發(fā)送的脈沖串無法被伺服放大器識別。

2.伺服放大器的CN1的4號端子是SON（伺服ON），如果4號（SON）和13號（SG）端子短路，則主電路通電，進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)（伺服ON狀態(tài)）；如果4號（SON）和13號（SG）端子間斷開，則主電路斷路，伺服電機(jī)呈空轉(zhuǎn)狀態(tài)（伺服OFF狀態(tài)）。為了使4號和13號端子短路，常用的方法不是通過外部連線連接在一起，而是通過更改伺服的P41參數(shù)值為“□□□1”，這樣在內(nèi)部會(huì)自動(dòng)變?yōu)樗欧N。

3.伺服放大器的脈沖串的輸入形式有三種可選，并可以選擇正負(fù)邏輯，可以通過P21參數(shù)選擇脈沖串輸入的形式，P21參數(shù)的具體意義如圖3所示。

圖3 參數(shù)P21的具體意義

上述例子中PLC發(fā)送給伺服放大器的脈沖串形式采用帶符號的脈沖串，并采用負(fù)邏輯，這樣CN1的23號和25號端子的實(shí)際意義分別是脈沖輸入端子和脈沖方向端子，那么P21參數(shù)值應(yīng)設(shè)定為“0011”，如圖4所示。在實(shí)際的伺服電機(jī)的調(diào)試過程中，經(jīng)常遇到伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與我們想要的方向正好相反，如果伺服電機(jī)已經(jīng)安裝固定且接線工作已經(jīng)完成，這時(shí)候采用帶符號的脈沖串的形式，只需要改動(dòng)P21參數(shù)中的脈沖正負(fù)邏輯選擇即可改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，不需要再去改動(dòng)已經(jīng)安裝完成的機(jī)械和電氣。

圖4 脈沖串輸入形式和P21參數(shù)圖

4.CN1的6號和7號端子分別是LSP（正轉(zhuǎn)行程末端）和LSN（反轉(zhuǎn)行程末端），這兩個(gè)端子需要和限位開關(guān)配合使用，完成限位要求。運(yùn)行時(shí)應(yīng)將LSP與SG、LSN與SG間短路，如果斷開，則急停并伺服電機(jī)鎖定，具體情況如圖5所示。如果P41參數(shù)按照圖6設(shè)定，則在內(nèi)部會(huì)變更為自動(dòng)ON。

5.CN1的9號端子是ALM（故障），不發(fā)生報(bào)警時(shí)，開啟電源1秒以內(nèi)，ALM和SG間導(dǎo)通，發(fā)生報(bào)警時(shí)ALM和SG間斷開。

4.三菱伺服參數(shù)設(shè)定介紹

4.1 三菱伺服參數(shù)設(shè)定

在本文的伺服放大器中，根據(jù)參數(shù)的安全性和使用頻率，基本參數(shù)（P0-P19）與擴(kuò)展參數(shù)1（P20-P49）、擴(kuò)展參數(shù)2（P50-P84）在使用時(shí)是有區(qū)別的?；緟?shù)在出廠狀態(tài)下可由用戶進(jìn)行設(shè)置和變更，而擴(kuò)展參數(shù)是不能進(jìn)行設(shè)置和變更的。當(dāng)需要進(jìn)行一些較高級的操作時(shí)，可以通過改變P19的參數(shù)值，以便能夠?qū)U(kuò)展參數(shù)進(jìn)行修改。需要注意的事，當(dāng)P19參數(shù)設(shè)置完成后，需要斷開再開啟電源，該參數(shù)的設(shè)置才能有效。

如上所述，伺服放大器的參數(shù)雖然很多，但是經(jīng)常使用的卻不多。下面就介紹幾個(gè)經(jīng)常使用的主要參數(shù)。

1.參數(shù)P0。參數(shù)P0的作用是電機(jī)功率選擇、再生用選購件選擇、電機(jī)系列選擇和控制模式選擇。

2.參數(shù)P1。參數(shù)P1的作用是選擇輸入濾波器。外部輸入信號如果因?yàn)樵肼暤仍虬l(fā)生振蕩，使用輸入濾波器進(jìn)行抑制。

3.參數(shù)P2。參數(shù)P2的作用是選擇自動(dòng)調(diào)諧時(shí)的響應(yīng)速度和選擇增益調(diào)整模式。關(guān)于選擇自動(dòng)調(diào)諧時(shí)的響應(yīng)速度，當(dāng)機(jī)械發(fā)生振動(dòng)或者齒輪聲音大時(shí)選擇較小值，當(dāng)需要縮短停止穩(wěn)定時(shí)間提高性能時(shí)選擇較大值。

4.參數(shù)P3。參數(shù)P3是電子齒輪比的分子值。

5.參數(shù)P4。參數(shù)P4是電子齒輪比的分母值。電子齒輪比就是P3/P4，電子齒輪比應(yīng)該滿足：1/50

6.參數(shù)P5。參數(shù)P5的作用是設(shè)定輸出定位完畢信號的范圍。用電子齒輪計(jì)算前的指令脈沖為單位設(shè)定。初始默認(rèn)值為100 PULSE。

7.參數(shù)P6。參數(shù)P6的作用是設(shè)定位置環(huán)1的增益。如果增益變大，對位置指令的跟蹤能力就越強(qiáng)。自動(dòng)調(diào)整時(shí)，這個(gè)參數(shù)將被自動(dòng)設(shè)定為自動(dòng)調(diào)整的結(jié)果。

8.參數(shù)P19。參數(shù)P19的作用是選擇擴(kuò)展參數(shù)的可讀和可寫的范圍。

9.參數(shù)P21。參數(shù)P21的作用前面已經(jīng)介紹過，是選擇脈沖串輸入信號的波形。

10.參數(shù)P41。參數(shù)P41的作用前面也已經(jīng)介紹過，是設(shè)定SON、LSP和LSN的自動(dòng)置ON。

4.2 電子齒輪

如圖7所示，假設(shè)伺服放大器的電子齒輪比設(shè)定為N，那么PLC（或者上位機(jī)）發(fā)送1個(gè)脈沖給伺服放大器，那么伺服放大器就會(huì)發(fā)送N個(gè)脈沖給伺服電機(jī)。假如電子齒輪比設(shè)為30，PLC發(fā)出100個(gè)脈沖，經(jīng)過伺服放大器后實(shí)際發(fā)給給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)應(yīng)該為100*30=3000。

圖7 電子齒輪比的定義圖

電子齒輪比的具體功能是指可將相當(dāng)于指令控制器輸出1個(gè)脈沖的工件移動(dòng)量設(shè)定為任意值的功能。在實(shí)際運(yùn)用中，連接不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。由于它們的螺距、齒數(shù)等參數(shù)不同，移動(dòng)最小單位量所需的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量是不同的 。

下面簡單的通過一個(gè)例子來講解電子齒輪比的應(yīng)用。假設(shè)一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)5圈，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)1圈，輥?zhàn)拥闹睆綖?20mm，所使用的伺服放大器的編碼器分辨率為131072p/r，要求PLC每發(fā)送1個(gè)脈沖輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)0.01mm，這時(shí)的電子齒輪比應(yīng)該設(shè)定如下公式所示：

5.伺服電機(jī)選型計(jì)算

1.轉(zhuǎn)速和編碼器分辨率的確認(rèn)。

2.電機(jī)軸上負(fù)載力矩的折算和加減速力矩的計(jì)算。

3.計(jì)算負(fù)載慣量。慣量的匹配越小越好，這樣對精度和響應(yīng)速度好。

4.再生電阻的計(jì)算和選擇。一般情況下，對于功率在2kw以上的伺服電機(jī)，要在伺服電機(jī)外面配置。

5.電纜選擇。編碼器電纜采用雙絞屏蔽電纜，對于三菱伺服等日系產(chǎn)品絕對值編碼器是6芯，增量式編碼器是4芯。

6.結(jié)束語

本文介紹了三菱公司某一種型號的伺服電機(jī)和伺服放大器的使用方法和使用經(jīng)驗(yàn)，由于三菱公司的伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上類似，所以這些方法和經(jīng)驗(yàn)是可以應(yīng)用到三菱公司其它型號的伺服系統(tǒng)中去的。