摘要：伺服電機一般作為精確定位控制的執(zhí)行機構，應用越來越廣泛。而伺服放大器作為伺服電機的驅動控制部件，與伺服電機組成一個完整的伺服系統。伺服電機具有啟動轉矩大，控制精度高，動態(tài)響應快，慣量小，噪音小，效率高，維護容易等優(yōu)點，使得伺服電機在工業(yè)自動化生產中扮演著越來越重要的角色，大有取代交流電機的趨勢。本文以三菱的伺服系統為例子講解伺服電機在工業(yè)中的應用方法。

關鍵詞：伺服電機;三菱伺服系統;伺服參數設定

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：伺服電機的在工業(yè)生產中的應用越來越廣泛，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的概況，然后重點講解三菱的某一型號的伺服電機和伺服放大器的使用經驗和注意事項。由于三菱公司的伺服系統在結構上是類似的，所以將此經驗推廣到整個三菱公式的伺服系統中是可行的。

1.伺服電機概述

1.1 伺服電機的定義和分類

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

伺服電電機轉子轉速受到輸入信號的控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執(zhí)行元件，具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當輸入信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

對于直流伺服電機，其優(yōu)點是:精確的速度控制,轉矩速度特性很硬,原理簡單，使用方便,價格便宜。其缺點是:電刷換向帶來的一系列問題,速度有限制,存在附加阻力,會產生磨損微粒(對于無塵室)。

對于交流伺服電機，其優(yōu)點是:

1.    具有良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現平滑控制，幾乎無振蕩;

2.    具有很高的效率，效率可達90%以上，不發(fā)熱;

3.    可實現高速控制;

4.    可實現高精度位置控制;

5.    能夠在額定運行區(qū)域內，實現恒力矩;

6.    低噪音;

7.    沒有電刷的磨損，免維護;

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

9.    慣量低。

1.2 伺服電機的發(fā)展歷史和現狀

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿易博覽會

圖1 伺服電機

上正式推出MAC永磁交流伺服電動機及其驅動系統，這標志著新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向交流伺服系統。早期的模擬控制系統在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在著不足，不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數字信號處理器（DSP）的應用，出現了數字控制系統，控制部分可完全由軟件進行。

到目前為止，高性能的伺服系統大多采用永磁同步交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

2.伺服電機的工作原理簡介

由于交流伺服電機應用的最為廣泛，所以下面主要介紹交流伺服電機的結構和工作原理。交流伺服電機通常都是單相異步電動機，有鼠籠形轉子和杯形轉子兩種結構形式。與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉子構成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90°電角度。

交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉”現象，即無控制信號時，它不應該轉動，特別是當它已經在轉動時，如果控制信號消失，它應該能立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉動。   

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

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

伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統，伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，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，驅動器根據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（線數）。

3．三菱伺服系統硬件介紹

伺服電機一般作為精確定位控制的執(zhí)行機構，應用越來越廣泛，而伺服放大器作為伺服電機的驅動控制部件，與伺服電機組成一個完整的伺服系統，伺服放大器能夠接收PLC的脈沖驅動信號，并將該信號進行放大處理，然后將處理后的信號輸出給伺服電機。

圖2 三菱PLC與三菱伺服系統的連接圖

圖2就是一個為了實現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的連線實例，如圖所示，其中PLC型號為FX3U，伺服電機型號為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端子排應連接電源的輸入；CNP2端子通過電源線連接至伺服電機，用于驅動伺服電機；CN2端子通過編碼線連接至伺服電機，伺服電機的編碼器通過編碼線將信號反饋給伺服放大器，用于實現伺服電機的閉環(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，而伺服放大器各個控制信號端子的實際功能根據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（數字I/F用電源輸入）和OPC（集電極開路電源輸入），這兩個端子需連接+24V電源，3號端子是RES（復位），8號和13號端子分別是EMG（外部緊急停止）和SG（數字I/F用公共端），為了保證伺服電機能夠正常工作，EMG端子必須連接至0V，SG作為數字I/F用公共端也必須連接至0V,23號和25號端子分別是PP（正轉脈沖串）和NP（反轉脈沖串）。

為了使圖2所示的伺服系統能夠正常工作，還需要做5點說明。

1.PLC的輸出Y0的COM端必須與整個系統的公共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，進入可運行狀態(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，伺服電機呈空轉狀態(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P41參數值為“□□□1”，這樣在內部會自動變?yōu)樗欧N。

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

圖3 參數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，并采用負邏輯，這樣CN1的23號和25號端子的實際意義分別是脈沖輸入端子和脈沖方向端子，那么P21參數值應設定為“0011”，如圖4所示。在實際的伺服電機的調試過程中，經常遇到伺服電機的轉動方向與我們想要的方向正好相反，如果伺服電機已經安裝固定且接線工作已經完成，這時候采用帶符號的脈沖串的形式，只需要改動P21參數中的脈沖正負邏輯選擇即可改變伺服電機的轉動方向，不需要再去改動已經安裝完成的機械和電氣。

圖4 脈沖串輸入形式和P21參數圖

4.CN1的6號和7號端子分別是LSP（正轉行程末端）和LSN（反轉行程末端），這兩個端子需要和限位開關配合使用，完成限位要求。運行時應將LSP與SG、LSN與SG間短路，如果斷開，則急停并伺服電機鎖定，具體情況如圖5所示。如果P41參數按照圖6設定，則在內部會變更為自動ON。

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

4.三菱伺服參數設定介紹

4.1 三菱伺服參數設定

在本文的伺服放大器中，根據參數的安全性和使用頻率，基本參數（P0-P19）與擴展參數1（P20-P49）、擴展參數2（P50-P84）在使用時是有區(qū)別的?；緟翟诔鰪S狀態(tài)下可由用戶進行設置和變更，而擴展參數是不能進行設置和變更的。當需要進行一些較高級的操作時，可以通過改變P19的參數值，以便能夠對擴展參數進行修改。需要注意的事，當P19參數設置完成后，需要斷開再開啟電源，該參數的設置才能有效。

如上所述，伺服放大器的參數雖然很多，但是經常使用的卻不多。下面就介紹幾個經常使用的主要參數。

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

2.參數P1。參數P1的作用是選擇輸入濾波器。外部輸入信號如果因為噪聲等原因發(fā)生振蕩，使用輸入濾波器進行抑制。

3.參數P2。參數P2的作用是選擇自動調諧時的響應速度和選擇增益調整模式。關于選擇自動調諧時的響應速度，當機械發(fā)生振動或者齒輪聲音大時選擇較小值，當需要縮短停止穩(wěn)定時間提高性能時選擇較大值。

4.參數P3。參數P3是電子齒輪比的分子值。

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

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

7.參數P6。參數P6的作用是設定位置環(huán)1的增益。如果增益變大，對位置指令的跟蹤能力就越強。自動調整時，這個參數將被自動設定為自動調整的結果。

8.參數P19。參數P19的作用是選擇擴展參數的可讀和可寫的范圍。

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

10.參數P41。參數P41的作用前面也已經介紹過，是設定SON、LSP和LSN的自動置ON。

4.2 電子齒輪

如圖7所示，假設伺服放大器的電子齒輪比設定為N，那么PLC（或者上位機）發(fā)送1個脈沖給伺服放大器，那么伺服放大器就會發(fā)送N個脈沖給伺服電機。假如電子齒輪比設為30，PLC發(fā)出100個脈沖，經過伺服放大器后實際發(fā)給給伺服電機的脈沖數應該為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于指令控制器輸出1個脈沖的工件移動量設定為任意值的功能。在實際運用中，連接不同的機械結構，如滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。由于它們的螺距、齒數等參數不同，移動最小單位量所需的電機轉動量是不同的 。

下面簡單的通過一個例子來講解電子齒輪比的應用。假設一個伺服電機帶動一個輥子轉動，伺服電機每轉動5圈，輥子轉動1圈，輥子的直徑為120mm，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個脈沖輥子轉動0.01mm，這時的電子齒輪比應該設定如下公式所示：

5.伺服電機選型計算

1.轉速和編碼器分辨率的確認。

2.電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算。

3.計算負載慣量。慣量的匹配越小越好，這樣對精度和響應速度好。

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

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品絕對值編碼器是6芯，增量式編碼器是4芯。

6.結束語

本文介紹了三菱公司某一種型號的伺服電機和伺服放大器的使用方法和使用經驗，由于三菱公司的伺服系統在結構上類似，所以這些方法和經驗是可以應用到三菱公司其它型號的伺服系統中去的。