1、本科毕业论文设计题目单轴伺服实验程序设计学院自动化工程学院专业自动化姓名指导教师20年月日THEDESIGNOFSINGLEAXISSERVOEXPERIMENTDEVICE摘要伺服控制可以实现高精度的位置、速度控制，现已广泛应用于工业控制领域，掌握伺服控制技术是从事自动化的运动控制必须掌握的一项技能。本文以实验室的单轴伺服实验装置为对象，以OMRONCP1系列的PLC为控制器，开发伺服实验项目。文中介绍了交流伺服驱动器、旋转编码器、OMRONCP1内置脉冲输出指令，编写了原点返回、位置控制、速度控制等程序，设计了实验过程，并在实验装置上完成了调试。所设计的实验项目可以直接用来指导学生学习伺服
2、控制技术。关键词PLC交流伺服运动控制原点返回伺服实验ABSTRACTHIGHPRECISIONPOSITIONANDVELOCITYCONTROLCANBEREALIZEDWITHSERVONOW,SERVOISWIDELYUSEDININDUSTRIALCONTROLFIELDMASTERINGSERVOCONTROLTECHNOLOGYISONESKILLWHICHISNECESSARILYNEEDEDFORTHOSEWHOAREENGAGEDINTHEAUTOMATICMOVEMENTCONTROLCONSIDERINGTHESINGLEAXISSERVOEXPERIMENTDEVIC
3、EOFLABORATORYASOBJECT,USINGOMRONCP1SERIESPLCASTHECONTROLLER,SERVOEXPERIMENTPROJECTSAREDEVELOPEDTHEACSERVODRIVES,ROTARYENCODER,OMRONCP1BUILTINPULSEOUTPUTINSTRUCTIONSAREINTRODUCEDTHEPROGRAMFORHOMING,POSITIONCONTROLANDSPEEDCONTROLAREDESIGNEDTHEEXPERIMENTALPROCESSISFINISHEDANDDEBUGGEDINTHEEXPERIMENTALDE
4、VICETHEDESIGNEDEXPERIMENTPROJECTSCANBEDIRECTLYUSEDTOGUIDETHESTUDENTTOSTUDYTHESERVOCONTROLTECHNOLOGYKEYWORDSPLCACSERVOMOTORCONTROLHOMINGSERVOEXPERIMENT目录前言1第1章伺服控制系统概述211伺服控制系统简介2111伺服控制系统构成2112伺服控制系统基本特征3113伺服控制系统分类312PLC在伺服控制系统中的应用4第2章伺服电机和旋转编码器621伺服电机6211基本结构6212工作原理7213伺服电机选型722旋转编码器12221增量型旋转编码器
5、13222绝对型旋转编码器14第3章伺服驱动器1531伺服驱动器简介15311伺服驱动器的基本结构15312伺服驱动器的工作原理1632OMRON伺服驱动器17321SS2（SMARTSTEP2）系列伺服驱动器17322G系列伺服驱动器19323SS2系列与G系列区别22第4章CPU内置脉冲功能2441概述2442控制功能与相关指令25421速度控制（连续模式）25422位置控制（独立模式）25423速度控制切换到位置控制27424脉冲输出的停止27第5章系统程序设计2951设计原理及接线2952PLC设计程序30结束语33谢辞34参考文献351前言随着经济的发展、实验条件的进步以及社会要求的
6、不断提高，近几年蓬勃兴起了一个新的系统伺服驱动系统。随着工业技术对控制系统的要求变得更加苛刻，这使得伺服驱动系统成为了世界各大工业机械生产商对其变得尤为关注，这让伺服系统在这几年变成举世瞩目的焦点。在伺服驱动技术需要控制技术以及计算机、电力电子提供更高的支持，近些年，这些技术都得到了飞速的发展。因此，此时的伺服驱动技术在工业领域等使用变得更为现实。目前越来越多的行业都对被控对象提出了更高的要求，需要对被控对象能够快速、高精度的完成控制命令，如纺织行业剑杆织机中的送经、取卷；机床行业电火花线切割机床、数控机床；半导体行业集成电路焊接机等都对控制的速度、精度、响应性有了苛刻的要求。在这个高度集成化
7、的工业时代，运动控制技术在包含原有的位置、速度、多轴等技术的基础上，与系统及工艺的综合运用，使得运动控制技术也跟随现代工业时代的要求变成高度的集成化。在现代工业中，系统技术的发展以及工业中对工艺的要求使得运动控制技术在各方面不得不快速完善。在伺服系统中机械传动装置是应用于各种数控设备，精密装置以及各种智能机械设备等中的一个重要部分。它的作用是传递转矩以及转速，伺服电动机和负载之间的转速和转矩也因此得到了合理的匹配。通过这个课题的研究能够较好的将所掌握的知识与实际相联系，更好的理解所学到的内容。2图11伺服控制系统结构示意图第1章伺服控制系统概述伺服控制系统，也就是SERVOMECHANISMS
8、YSTEM，是经由闭环回路这种控制方式达到机械系统速度、转矩、位置或同步控制的一种系统。由于支撑伺服控制系统的各种技术得到了革命性的变化，这样伺服控制系统技术就在工业等领域为社会作出更大贡献显得更为可能和实际。现在绝大部分的行业对被控对象提出了越来越高的要求，要求被控对象能够高精度并快速完成控制命令，例如纺织行业剑杆织机中的取卷以及送经，机床行业中电火花线的数控机床、切割机床，半导体行业中集成电路焊接机等对控制的精度、响应性、速度有了非常严格的要求。11伺服控制系统简介伺服控制系统同时也被人们称为随动系统，因为它能够控制某种对象时对输入信号能够不断自动更换变化规律使得控制对象极为精确。下面简单
9、介绍伺服控制系统的构成、特点和分类。111伺服控制系统构成一个伺服控制系统的构成一般包括检测机构、被控对象、执行机构、控制器和伺服驱动器等几个部分。如图11所示，被控对象是指被控制的对象，例如机械工作的平台或者机械手臂等；执行机构则为被控对象提供动力，有时以油压、气压，有时以电力驱动的方式呈现，如果采用气压驱动方式，那就称之为气压伺服系统。在伺服系统中电力成为最为重要的动力能源，为此，以电作为驱动使得在工业中使用的伺服系统以伺服电机最为广泛；当然在这些伺服电机中对永磁交流伺服电机显得更为看重，一般这种伺服电机中会内置像旋转编码器等检测机构，用来检测被控对象的速度以及位置；伺服驱动器用来放大功率
10、；而控制器的性能以及功能则会影响整个伺服系统，控制器是伺服控制系统的核心。现在用的最多的控制器有工业控制机、可编程控制器，也就是PLC以及数控系统等。而随着PLC的发展，它的运动控制功能也变得更加完善，因此被更广泛地应用于伺服控制系统。3112伺服控制系统基本特征伺服控制系统一定要具有三个基本特征，那就是系统的准确性、稳定性、快速性。1准确性准确性是一个描述控制系统精准度的量，在控制系统中经常用稳态误差对此进行说明。2稳定性稳定性用来说明系统在已给定的输入或者是外界的干扰下，可不可以在较短的调节过程后恢复原来的平衡状态或者是达到一个新的平衡状态。3快速性快速性是系统跟踪指令信号能够快速的作出响
11、应，既要求调节过程要迅速，还要求过渡过程的前沿要陡，也就是上升率要大，用来满足超调要求。113伺服控制系统分类伺服系统在分类上有着很大差异，也就出现了很多分类方法，在此主要是对控制进行分类，那么在控制方式上大致可分成闭环、半闭环以及开环伺服系统这三种控制方式。下面就讲一下上述三种控制方式。1开环系统图12所示为开环系统组成示意图，主要由工作台、数控装置、执行元件和驱动电路组成，执行元件常用步进电机。驱动电路接收控制器（数控装置）发送的控制信号，然后将信号进行放大给执行元件，也就是步进电机，执行元件（步进电机）按照控制要求进行驱动丝杆，使丝杆带动工作台进行预期的运动。开环控制系统的响应速度较快，
12、但是它的控制精度较低，系统稳定性也较差。2半闭环系统图13就是半闭环伺服控制系统的结构示意图，伺服驱动器接收控制器发出的控制信号，并将信号放大后给执行机构（伺服电机）。伺服电机通过驱动机械结构来带动工作台图12开环系统示意图4图13半闭环系统示意图图14闭环系统示意图并且在整个控制的过程中将检测到的丝杆的当前角度反馈给控制器。半闭环伺服控制的检测机构使系统的控制精度得到了提高，但是稳定性较差。3闭环系统图14所示为闭环系统组成示意图，输出量作为反馈，很大程度上减小了从反馈信号产生点一直到输出量之间一系列元件的误差，进一步提高了系统的控制精度和稳定性。闭环控制系统是工业控制中使用最广泛的。12P
13、LC在伺服控制系统中的应用前面在伺服系统的构成中讲过，随着工业自动化技术的进一步发展以及生产技术的进一步提高，PLC在网络通信、模拟量方面以及开关量方面也就是运动控制方面有了非常大的进步。PLC得到了越来越广泛地应用。将使用PLC进行伺服控制称为PLC的运动控制功能。按照运动控制方式和被控量的性质可以把PLC运动控制分为转矩控制、速度控制、位置控制和同步控制。1位置控制位置控制就是用来把负载自一个地方转移到另一个地方，而其中的转移方向通常是一定的。52速度控制速度控制就是让负载以确定的速度曲线来运动。3转矩控制转矩控制就是通过转矩的反馈来维持一个恒定的转矩。4同步控制同步控制就是把两个或者多个
14、同方向的运动轴，一个作为主轴，其它的作为从轴，将从轴和主轴的速度设定成一定的比例并保持这个比例来达到多轴的同步。OMRONPLC运动控制功能比以前更加完善，在OMRONPLC系统中，应用于伺服控制系统的控制器可以分为外置单元型和CPU内置型。外置单元型一般通过OMRONPLC的特殊的输入输出单元来实现运动控制，机型主要有CJ、CS、C200HA等系列。OMRON各型号PLC运动控制功能如表11所示表11OMRON各型号PLC运动控制性能对照表型号控制方式运行方式控制轴数速度主要功能其他功能软件CPM1A脉冲输出指令控制11路2KHZ定位、速度无CXPROGRAMMERCPM2A/2C22路10
15、KHZCP1L22路100KHZ原点CP1HX/XA42路100KHZ和2路30KHZCP1HY42路1MHZ和2路30KHZCJ1MCPU222路100KHZC200HWNC脉冲输出，直线插补直接操作，内存操作1,2,4500KHZ原点、区域等SYSMACNCTCJ1WNCCXPOSITIONCS1WNCC200HWMC模拟量，圆弧插补手动操作，自动操作21010VG语言CXMOTIONCS1WMC4CJ1WNCFMECHATROLINK直接操作1610MBPS定位、速度、转矩原点等CXMOTIONNCFCJ1WMCH手动操作，自动操作32专用语言CXMOTIONMCHCS1WNCF6第2章
16、伺服电机和旋转编码器前面已经讲过，伺服电机为常用的直线机构，旋转编码器为常用检测机构。21伺服电机在伺服驱动系统中，在当前采用的伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两大类。直流伺服电机虽然控制方面比较不错，但是在机械转换器等其它方面还是做得不够到位，运行时火花对环境有非常高的要求，而且转子极强的导热能力是的转子与丝杠的连接变得不再牢固，机械转换器也对运行和更好的设计有更高要求。由于微处理、电机以及驱动器等各方面的发展，使得交流伺服电机得到了很好的发展，其结构简单，坚固耐用，体积小，没有转向器，无需维护等特点克服了直流伺服电机的缺点。交流伺服电机通常分为异步、同步交流伺服电机两类。异步交流伺服
17、电机的控制方法是利用矢量变换进行主要控制。异步的定子电流被这种控制方法分开成两个电流分量进行分别的控制，一个电流分量与转子磁通方向相同，另一个电流分量与转子磁通垂直。因为实现矢量变换计算不像其它方法一样简单，电机低速运行时极易发热，不适用于低速控制场合。与此同时，同步交流伺服电机技术已经到了比较成熟地步，它在低速调速中的性能表现优秀，在其基础上对弱磁控制实现的高速性能也得到了大大的完善，这使得该技术变得更为成熟，能够达到调速范围广，性能稳定等高性能特点。永磁电动机使用的关键性材料就是用磁性材料，该材料在现代技术的高速发展下其性能得到了前所未有的提升，而价格则变得更为廉价，这就促使永磁电动机能够
18、得到更好地推广和应用。他已成为目前交流伺服系统总的佼佼者。那么他的优异性变现在那几个方面，下面就进行了归纳1无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养的要求较低；2定子绕组在散热方便简易；3在快速性能上因其惯量小，使得系统在此表现优秀；4同功率下有较小的体积和重量；5适用于高速大力转矩工作状态。211基本结构同步交流伺服电机和普通电机一样也是主要由有转子和定子以及输出轴构成，不同之处在于其还有速度和位置检测器。绕组是一个三相对称的，他是放在定子上，而转子就是永磁体，使用逆变器或者是电子的作为转向装置。其气隙磁场是按正弦波分布，这就决定了定子绕组中会产生正弦波反电动势。其基本结构如图21所示。7
19、图21同步交流伺服电机基本结构图同步交流伺服电机的转子轴上装由速度检测器，其输出信号用于速度反馈；另外还装有转子位置检测器，它能精确地测出电机转子的转角位置和磁极位置，位置检测器输出的检测线号可以提供给位置控制器作为位置反馈信号，也可以作为速度控制单元的电流指令信号。212工作原理定子与转子的旋转磁场磁场的相互作用能够产生伺服电机的电磁转矩，所以只有使定子磁场与转子磁场同步旋转，才能获得平稳的电磁转矩。在同步交流伺服电机能够产生恒定的磁场这不是电流变化做出的而是由转子上带有的永磁材料产生的。对伺服电机需要的速度及磁极位置需要进行检测，为了不影响负载情况，所以只有在他的没有安装负载的一侧安装这些
20、需要检测的检测器。为产生最大的电磁转矩需要位置检测器测出的磁极位置信号来控制电机电枢电流的相位，只有在转子磁场放向和电枢电流磁场正交才能实现。要解决电枢电流相位的控制问题，我只能通过对磁场位置进行不断地测量，这样就可以解决了上述问题。电机转子的磁通由转子上的永磁产生并保持恒定，为产生转矩只有控制钉子的电流，在定子电流与永磁磁场正交才可以。与直流伺服单机一样，电磁转矩与定子电流具有线性关系，有较硬的机械特性。213伺服电机选型一、伺服电机的选择原则在现代机电中需要作出比原来更为复杂的运控，点击的选择则在电机的负载能力上来考虑。电机的核心在于伺服驱动的性能，在选择电机时对伺服装置的选择显得十分必要
21、。在电机的选择时不仅在上面提到要对负载进行首考虑，还要在其大小，重量和价格方面作出选择，以确保选择的电机最为合适。81传统的选择方法在传统的电机选择上考虑的问题也是较为传统合简单，只是对电机的动力进行考虑，动力上也就只是对直线运动速度，加速度，角速度，角加速度以及转矩这几方面，其他则不再关心。能够很直接的得出电机最大功率在工作最大负载时得到，可在实际中，电机需要带动中这就很受到局限了。在考虑选择电机时需要对电机的减速上下限作出抉择，只有在电机的减速比最大值比最小值大才能选择，而决定电机减速比上下限的的因素分别在N上限峰值，最大/峰值；N下限T峰值/T电机，最大在这俩公式中得出。这只是选择电机的
22、一个小方面，对传动比才是更为难以分辨的。2新的选择方法在新的选择方法中是将电机的使用图表的形式对电机特性和负载特性进行分解表示，这样可以做到对驱动装置更容易进行检查和系统间对比，同时也使得传动比不许复杂的计算就可得出一个范围。这选择方法能够在不同负载与不同电机特性进行图解分离，显出其无比优越性。所以，这种新的选择方法就逐渐取代了传统的选择方法。之所以对传动比看的很重是因为他们能够对动力荷载参数作出改变。举个例子来说明传动比关于外部转矩对电机运行的影响。在传动比较大的时候会使得外部转矩减小对电机的作用，这时电机就会产生很高的旋转速度，这样导致电机惯量扭矩要求就增加了。只有在传动比合适时才能对上述
23、两个截然不同的量进行平衡，已达到作业要求。经常使用电机得到的最大速度小于电机，最大和电机的任意时刻扭矩都不得大于M额定这两种办法来找出能协调电机与作业任务所需的传动比的。二、一般伺服电机选择考虑的问题1电机的最高转速电机的转速是一个电机重要一部分，在根据机床的运行才能确定要需的转速，为保证安全，电机转速绝不可以超出额定值。NOMHNPUVN3MAX102惯量匹配问题集计算负载惯量在负载惯量限制在5/2电机惯量时可以表现系统系能的最佳。在这里负载惯量用JL表示。2121JNJJJMJILVMJJ3空载加速转矩在需要将电机在静止迅速的到快速时就要输入阶跃信号，这样就会造成空载加速转矩。空载加速转矩
24、只有在在大输出转矩的80以内才安全，为此作出不得超过80的一般规定。980602MAXMAXAACMLTTJJNT4切削负载转矩8021MSCMSTDTT在上式中可以得出切削转矩不得超过电机额定值得80。5连续过载时间电机的过载不是不可以，但是点击过在的时间需要控制，不能长时间的过载，这样否则会导致不可恢复的局面，为此电机过载上有一规定的过载时间，工作中不得连续负载超出该时间。三、因负载转矩不同时要需的电机在伺服电机工作时，要求做到无论空载还是负载都不的超出上述电机对负载时的额定值，负载转矩，连续过载时间，加速转矩等等的额定范围。如下是其负载转矩以及转轴轴向移动的力算法公式CLTLFT2转轴轴
25、向移动在有切削负载时的计算公式CFGCFFWFF在没有切削时，轴向移动的力的算法公式GFWF以下几点是在转矩计算式要注意的1在一般情况下对链条的摩擦转矩仅仅是在忽略链条紧松状况，滑块摩擦的精度情况下对摩擦转矩作出计算的，但是忽略的往往就是误差的关键。2在轴承等要紧固等作用的附加负载还有丝杆紧松等对转矩影响不可小觑尤其是在较轻的设备上。3在考虑摩擦力时，因为力的作用是相互的，再给出切削力时工作台同样也要受到该力的反作用力，这使得摩擦力增大。由于驱动力与切削里的反作用力时在瞬间分离的，所以在考虑切削转矩时要予以考虑。4在测量摩擦转矩时对给进速率也要测量，在不同材料下这些数据都是要改变的，只有测量才
26、能得出准确数值。5在同一个机械台上上，由于周围环境的变化，使得很多数据都发生变化，在此必须参考其他机械上的参数，对积累参数进行校对，这样才可得出准确的数据。四、根据负载惯量选择伺服电机10图22圆柱体围绕中心运动时的惯量示意图在具有优秀的快速响应特性的数控设备上就可以增加切削精度以及可以使加工表面更为光滑。只有响应快才能在较短的时间里完成给出信号要求做出的动作。然而这一动作与负载惯量密切相关。由于惯量的原因在得到指令后，电机就要根据惯量负载的大小对同样指令下响应的速度就会有很大差异。大惯量负载就会反应较慢。尚若是多轴时插补时间就会在大惯量的产生较大的误差。由此可见负载惯量是直接影响整个伺服系统
27、精度和凌密度的因素。经试验得出在当负载惯量5倍以内时电机受到的影响不足以影响大局。51MLJJ电机的负载惯量不禁包括旋转的部分还包括只限于懂得部分，这是电机所要驱动的所有惯量。将各个被驱动的部分的惯量进行相加计算即可得到电机的总负载惯量。有中心轴的负载惯量计算公式2432CMKGLDJ轴向移动的惯量负载计算公式222CMKGLWJ轴对称惯量如图所示在大直径齿轮等轴对称可以在盘上去对称点增加或减少惯量。其计算公式如下220CMKGWRJJ式中，J0为轴对称体围绕其中心线旋转时的惯量（KGCM2）；W为轴对称体的质量（KG）；R为轴对称半径（CM）。相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量
28、J0电机轴上的计算方法如下2021CMKGJNNJ式中，N1、N2为齿轮的齿数。11五、机械加减速时的转矩加速转矩若按照线性算法则在减速时计算公式如下MNEJJTNTKSTALMAMA11106024在加速时的转速变化如下KSTASAMREKTNN111在转速为0指数加速时的转矩MNJJTNTLMEMO1106024输入阶段性速度指令时加速转矩计算公式MNJJTNTLMSMA1106024六、电机转矩在有有时是用均方根值选取的有时机械在工作时需要频繁启动和制动，这样会导致电机过热，对此在动作是需要对其进行见车够热与否。在此一个电机转矩周期内需要用均方根值来计算其连续转矩。，如下给出计算公式周T
29、TTTTTTTTTTFAFFARMS32012212为保证电机不过热，需要在额定转矩大于计算出的一个周期的转矩均方根值，这样才能使电机正常运行。在设计过程时对进给伺服电机的选择原则要做出如下要求1对转矩速度特性曲线验证负载转矩和加减速转矩能否满足设计要求。2校核负载惯量。3校核频繁启动、制动的电机以及其转矩均方根。只有这样设计出的伺服电机才能满足要求。七、伺服电机选择基本步骤以及计算方式1决定运行方式电机的运行方式需要机械系统控制内容更来决定，而启动时间以及减速时间是由实际环境等因素决定。2对转动惯量折算到电机轴上的计算在计算启动转矩是要对负载转动惯量进行计算2442108MKGLDGDL12
30、24114222222881MKGDLDLRGDNNGDLMLL3初选电机在稳定运行时电机功率以及折算在电机轴上的负载转矩LMLLTNNT49535LLONTP4对加减速时间、加减速功率的计算在对电机选择时必须考虑加减速时间，该值一定小于系统要求的值才可。加速时间LPMLMATTNGDGDT33822减速时间LPMLMDTTNGDGDT33822在对电机的机械求出数值后要考虑加入启动信号前控制电路的延迟时间大约是510MS。负载加速转矩要小于电机额定转矩，尚若不符合若小于电机的瞬时转矩也可以。5对循环工作的，占空等的实效转矩计算在快速复杂工作场合，对加减速引起超过额定电流等类似影响需要对其占空
31、比进行求实效转矩。在选择电机时要对电机的额定转矩合适与否进行判断。典型计算公式如下WDPCLPRMSFTTTTTTT222若在TRMS不能够满足额定转矩式，则对电机容量需要提高，再次核算。八、电机选型软件的使用在上述介绍的电机选型方法中，需要用户进行大量的计算，比较麻烦费时。为了能够方便用户进行伺服电机的选型，OMRON推出了专用的电机选型软件MOTORSELECTION。22旋转编码器对于伺服系统输出量的检测元件是伺服系统的重要组成部分，其检测数据的精度直接影响到伺服系统控制精度。对检测元件有以下两个方面的要求首先可靠性要比较高，其次它对外界的抗干扰能力要比较强；而且维护等方面要求比较简单容
32、易；价格低、寿命长；13图23增量型旋转编码器工作原理示意图图24增量型旋转编码器脉冲示意图便于连接、安装；可满足控制精度和速度要求。而旋转编码器是目前主要应用的检测机构，下面就介绍一下OMRON的旋转编码器。221增量型旋转编码器增量型旋转编码器的工作思路主要是这样的首先电信号（电脉冲）是由旋转的机械位移量转换而来，然后这个电脉冲被处理，且要输出检测的各个具体地方以及检测速度的位置检测方面的元件。增量型旋转编码器的工作思路原理图如图23所示。用旋转盘将发光二极管以及光敏二极管分离开，码盘上是有栅缝的。转动码盘是，发光二极管就会发光，然后光敏二极管就会接受这些光，并且输出方波。一般增量型旋转编
33、码器需要一个计数系统和一个辨向系统，根据方波脉冲产生的数量来对旋转角度以及速度进行比较细致的检测。增量型旋转编码器共有A、B和Z相这三种光栅，见图24所示，A相与B相的相位差90，如正转，则A相超前B相90，如反转，则A相落后B相90。Z相为原点信号，即每转一圈出现一次。通过频率电压可以将A相和B相脉冲转变为何工作轴的转速成一定比例的电压信号，可将它作为速度反馈信号。14图25绝对型旋转编码器工作原理图222绝对型旋转编码器通常情况下，绝对式脉冲编码器在任何一个位置都可以给它所对应的确定的数字码输出，而不需要基数。其工作原理如图25所示。绝对型旋转编码器检测旋转角度的原理是根据和位数对应的发光
34、二极管以及光敏二极管对这两个器件所输出端的二进制编码来进行的。通常，有位数（8,12）相对刻有栅格而且与光敏二极管的个数相对应，如果要检测转动的绝对角度需要根据光敏二极管输出的二进制编码来进行。图24列出的是一个4位编码的单旋转编码器。OMRON的绝对型旋转编码器同样使用了增量式脉冲编码器原理，它由一个计数系统和一个辨向系统组成，旋转码盘给出一系列的电气信号，即电脉冲，通过旋转码盘在所有的计数当中对每一个基数都进行相应加或减，然后这样就记录了旋转方向以及角位移，只是增加了掉电保持功能，该掉电保持功能由伺服驱动器中的电池向编码器内部的电容进行供电，使编码器的计数系统和辨向系统在断电情况下保持记忆
35、功能。15图31伺服驱动器基本结构示意图第3章伺服驱动器31伺服驱动器简介先前的伺服驱动器有模拟式以及模数混合式两种时代，现在伺服驱动器不断发展，逐渐并完全开启了全数字时代。传统的伺服驱动器具有集中性小、存在零点漂移、可靠性比较低等缺点，全数字伺服驱动器不仅克服了这几个缺点，而且还充分展现了其控制精度高以及控制方法比较灵活的优点，因此，全数字伺服驱动器不仅变得结构不再那么复杂，而且性能也更加稳定。目前，交流伺服控制系统是绝大部分高性能的伺服驱动系统所使用的系统，而伺服驱动器包括全数字交流以及永磁同步交流伺服驱动器这两方面。311伺服驱动器的基本结构伺服驱动器的组成部分有伺服控制、功率驱动以及通
36、讯接口这三个单元，其结构如图31所示。其中伺服控制这一单元主要由位置、速度、转矩以及电流控制器这四方面组成。当前所使用的伺服驱动器融合了很多先进的控制技术以及其它的控制方法，因此更加适合对精度要求高以及对性能要求高的情况，并且伺服驱动器还体现的非常高潮的智能化以及柔性化。当前比较先进的的伺服驱动器都是以数字信号处理器，即DSP，来作为它的控制核心，DSP的优点比较多，既可以实现其它处理器不能实现的控制算法，又可以实现数字化、网络化以及智能化等等。通常功率器件的驱动电路的设计是以智能功率模块，即IPM为核心的。IPM内部自己形成了驱动电路，而且具有过电压电流、过热以及欠压等可以检测电路故障并保护
37、电路的设置，同时在主回路中设置了可以减小启动过程中冲击驱动器的软启动器。16下面来介绍一下各种控制器的优缺点。1位置控制器位置控制器最首要的就是准确跟踪执行机构位置方面的指令。被控量通常就是负载在空间中的位移量。当给定一个随机变化的量时，控制系统可以使给定的随机变化的量被控制量精确地跟踪以及复现，给定量不确定形式，比较多样，可以是角位移，也可以是直线位移。因此，位置控制一定是由一个反馈控制系统所组成的回路。位置控制器一般由五部分组成，而且处于系统的最外环。位置监测是一个非常重要的环节，通常是由光电编码器通过转换电路来得到所需要的数字信号，然后这些数字信号要与已经给定的数字信号子啊计数器单元进行
38、比较，然后比较得出一个比较稳定的误差。子啊按照一定的运动规律进行计算，形成可以应用的校正信号，并将校正信号转变为电压信号。综上所述，伺服电机就是按速度指令进行工作的。2速度控制器在速度控制中，要求伺服电机在各种运行状态下的速度加以控制，以满足负载的工作要求。当电机带动负载匀速旋转时，它的电磁转矩和负载转矩相等，伺服电机所产生的电磁转矩比负载转矩大时，电机实现加速，反之电机实现减速。速度控制器的控制规律是比例积分，它的主要作用是让自己在进行定位时不产生震荡，而稳定地控制。只有速度环可以快速响应并同时在稳定的状态下拥有非常好的硬度及特性，而且可以比较好地抑制外界干扰，才可以进行位置控制。3电流转矩
39、控制器像螺栓拧紧机构等负载，伺服电机只需要给出一定的可以拧紧的力，然根据所需要的力的大小来设定电机的转矩控制以及转矩限制，而对于电机的速度以及位置不做硬性要求。这种情况下就可以采用转矩控制这种方式。磁场和电流这两方面的正交控制是根据位置转化器测量出交流伺服电机转子的两个磁极的具体位置，然后根据这个信号来进行电流控制。电流控制器是速度环的内环，电流控制环将电流的指令信号以及反馈信号结合起来，然后就可以有效控制电枢电流的幅值以及相位，并使电枢电流与磁通矢量完成正交。电流控制器的控制规律也是比例积分，要求为了适应电流瞬时值的跟踪控制，必须具备极其高的快速性。312伺服驱动器的工作原理如图32所示，速
40、度控制器将速度指令与速度反馈信号进行分析比对，然后输出电流指令信号。由于电机是交流电机，所以应该把直流电流转变为交流电流，即把直流量交流化，并且需要这个交流电流的相位让电子磁极来控制。转子磁极的旋转速度决定了电流频率同时把电流指令和磁通在空间位置上正交。所以，把磁极位置信号与电流指令信号相乘，得到交流指令信号，然后将此信号与电流反馈信号进行比较，其差值送入具有高速追踪能17图32伺服驱动器工作原理示意图力的电流控制器，并且使定子电枢绕组中产生波形和电流指令差不多一样的正弦电流，永磁体通过与正弦电流作用而产生电磁转矩，从而让电机进行运动。功率变换器的组成部分主要有两个，一是整流器，另一个则是逆变
41、器。在电力电子中曾经讲过，整流器是把已经输入的三相交流转变即电整流成直流电，然后再通过电容器滤波传递到逆变器中，成为逆变器的直流输入电压。逆变器就是用来把已经输入的直流电在脉宽调制信号的作用下逆变成电压以及频率均可以调节的交流电，然后再提供给交流伺服电机。脉宽调制回路则是用来通过产生特定的控制信号来保持逆变器的输出频率和电压这两者之间的协调关系，同时使电枢电流保持正弦性。32OMRON伺服驱动器OMRON为伺服控制系统提供了完善的伺服电动机方面以及伺服驱动方面的先进的产品，如近期就推出一系列的新型的伺服控制器，其提出的高性能简单化的设计，使用户解决了从设计到维护各阶段的问题。设计中利用PLC控
42、制中的FB库，控制变得非常简单，体积的小型化为控制柜的小型化提供便利；安装中就采用DIN导轨一触式这种安装方式，这样就会更加简便；启动时使用自动调谐，无需调整就可使用，同时利用参数拷贝功能适合大批量使用；运行中指令脉冲频率大幅度提高以及抑制振动功能，非常适合用于低刚性机械系统；通过CXONE自带的CXDIVER可以进行驱动器的维护，方便用户使用。下面来看一下其具体规格和型号。321SS2（SMARTSTEP2）系列伺服驱动器1SS2伺服驱动器和伺服电机的连接SS2系列伺服驱动器和它相对应的电机的连接如图33所示，这里面需要电源电缆、电机动力电缆、制动器电缆、旋转编码器电缆，这些下面将进行一一选
43、择。18图33SS2系列伺服驱动器和伺服电机连接示意图电源电缆（CNA）可选电缆如表31所示。表31电源电缆型号表注意如连接外部再生电阻，请选择R7ACLB002RG。电机动力电缆（CNB）可选电缆如表32所示。表32电机动力电缆型号表制动器电缆可选电缆如表33所示。表33制动器电缆型号表记号名称连接对象型号单相电源输入电缆单相100V/单相200VR7ACLB002S2三相电源输入电缆三相200VR7ACLB002S3记号名称连接对象型号电机动力电缆带标准连接器R88MG30R88MG30S1R88MGP30R88MGP30S1R7ACABS内为电缆长度3,5,10,15,20M19图34输
44、入通用型G系列伺服驱动器和伺服电机的连接示意图旋转编码器电缆（CN2）可选电缆如表34所示。表34旋转编码器电缆型号表322G系列伺服驱动器1通用型输入型G伺服驱动器（1）输入通用型G伺服驱动器和相对应的伺服电机的连接通用输入型G系列伺服系统驱动器和他相对应的伺服电机的连接如图34所示，其中所需的电机动力电缆、制动器电缆、旋转编码器电缆将分别进行选择。电机动力电缆可选电缆如表35和表36所示。表35没有制动器电机电力电缆型号表记号名称连接对象型号标准制动器电缆R88MG30BR88MG30BS1R88MGP30BR88MGP30BS1R88ACAGAB内为电缆长度3,5,10,15,20M记号
45、名称连接对象型号标准编码器电缆R88MG30ZR88MG30S1R88MGP30ZR88MGP30S1R88ACRGBC内为电缆长度3,5,10,15,20M20记号名称连接对象型号电机动力电缆（无制动器电机用）圆柱型电机（3000R/MIN）50W750W扁平型电机（3000R/MIN）100W400WR88ACAGAS圆柱型电机（2000/3000R/MIN）1KW15KW圆柱型电机（1000R/MIN）900WR88ACAGBS圆柱型电机（2000/3000R/MIN）2KWR88ACAGCS圆柱型电机（2000/3000R/MIN）3KW5KW圆柱型电机（1000R/MIN）2KW45
46、KWR88ACAGDS圆柱型电机（1500R/MIN）75KW圆柱型电机（1000R/MIN）6KWR88ACAGES注内是电缆长度350M。表36带制动器电机动力电缆型号表记号名称连接对象型号电机动力电缆（带制动器电机用）圆柱型电机（2000/3000R/MIN）1KW15KW圆柱型电机（1000R/MIN）900WR88ACAGBB圆柱型电机（2000/3000R/MIN）2KWR88ACAGCB圆柱型电机（2000/3000R/MIN）3KW5KW圆柱型电机（1000R/MIN）2KW45KWR88ACAGDB注内是电缆长度350M。制动器电缆可选电缆如表37所示。表37制动器电缆型号表
47、记号名称连接对象型号制动器电缆（标准电缆）圆柱型电机（3000R/MIN）50W750W扁平型电机（3000R/MIN）100W400WR88ACAGAB圆柱型电机（1500R/MIN）75KW圆柱型电机（1000R/MIN）6KWR88ACAGEB注内是电缆长度350M。旋转编码器电缆可选电缆如表38所示。表38旋转编码器电缆型号表记号名称连接对象型号编码器电缆（标圆柱型电机（3000R/MIN）50W750W（绝对值编码器）R88ACAGAC内是电缆长度350M21准电缆）扁平型电机（3000R/MIN）100W400W（绝对值编码器）圆柱型电机（3000R/MIN）50W750W（增量型
48、编码器）扁平型电机（3000R/MIN）100W400W（增量型编码器）R88ACAGBC内是电缆长度350M圆柱型电机（3000R/MIN）1KW15KW圆柱型电机（2000R/MIN）1KW5KW圆柱型电机（1500R/MIN）75KW圆柱型电机（1000R/MIN）900W6KWR88ACAGCC内是电缆长度350M2MECHATROLINK通信型G伺服驱动器相应的伺服电机及伺服驱动器和伺服电机的连接与输入通用型G系列伺服驱动器是相同的，在此不作重复介绍。3GLITE系列伺服驱动器由于目前G伺服在应用的过程中，95的场景采用的都是位置环，也就是比较常用的脉冲输入模式，在这种情况下，G系列伺服驱动器的模拟量输入就闲置在那里，不仅不发挥作用，同时还会提高该产品的硬件成本，也会降低产品的性价比，为此OMRON推出了GLITE系统伺服驱动器。GLITE系列伺服驱动器是通用型伺服G系列的延伸，与G系列的区别在于没有模拟量输入，在与OMRON的CPIH/1L以及其他一些位控型脉冲输入模块，如CJ1W/CS1WNC等这些模块构成半闭环伺服控制系统中，具有性价比高，调节简单，性能稳定等诸多优点，其价格将比新的G系列价格体系也是便宜。GLITE的型号如表39所示。GLITE系列的伺服电机与原来G系列所使用
