伺服电机的制动

伺服电机的制动
1.概述
伺服电动机的制动器是一种降低伺服电机旋转速度的装置。

施加制动的过程可称之为制动。

以下两种情况，将产生特别大的再生能量，必须外接制动电阻消耗掉，否者将对伺服驱动产生损坏。

（1）当负载转动惯量特别大，电机制动减速时。

（2）当电机转动方向与负载转动方向相同，但是转矩相反时。

2.分类
伺服电机的制动可分为再生制动、动态制动和电磁制动。

2.1. 再生制动
再生制动是在伺服驱动器正常工作时的减速过程。

伺服电机的减速或者停止是通过减小频率来实现。

在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性，电机的转子转速未变，电机转子转速大于同步旋转磁场的转速，此时电机处于发电状态。

与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机此时处于再生制动状态。

电机再生制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线,但是直流电路的电能无法通过整流电路回馈到电网，只能靠驱动器内部的电
容吸收，长时间制动时将导致直流母线电压升高，形成“泵升电压”。

过高的直流母线电压将使各部分器件受到损坏。

因此对于处于发电制动状态中产生的再生能量必须采取必要的措施，一般通过使用制动电阻将能量耗散掉。

当直流母线电压升高到驱动器设定的数值时，再生制动电路打开，经内置制动电阻发热耗散。

电能转化为热能，电机转速降低，直流母线电压也降低。

通常内置制动电阻功率较小，如减速时间长或减速度大，内部再生制动电路消耗能量过慢，直流母线电压持续升高，超过设定的阈值，驱动器报警，并给电机断电。

此时需要增加外置制动电阻吸收能量，保护驱动器。

汇川伺服驱动器直流母线电压如下：
AC220V整流后标准值为311V，正常值为235V-378V，
电压泄放点为380V，上下阈值为200V-420V；
AC380V整流后标准值为537V，正常值为451V-689V，
电压泄放点为690V，上下阈值为380V-760V。

AC220V包括单相220V和三相220V。

区别在于全波整流后的波形是否过零，滤波后其标准值相同。

2.2. 动态制动
动态制动由动态制动电路组成,在故障,急停,电源断电时。

定子线圈无电流通过，无法产生旋转磁场。

此时电机转子磁场切割定子线圈，电机处于发电状态，产生大量电能。

此时因断电，再生制动电路不能导通，但是动态制动电路通过继电器导通。

产生的能量通过动态制动
电阻消耗能量，使电机逐渐停转，并保护伺服驱动器。

一般都是在伺服电机的U、V、W相上引出三根线上面分别串上一个制动电阻，这三个电阻接到一个继电器上，在伺服电机正常工作时这个继电器是断开的，三个相线不短接，当伺服电机故障,急停,电源断电时，继电器就断电导通，三个相线接到一起开始制动。

2.3. 电磁制动
电磁制动俗称抱闸，顾名思义，就是一下子把转子抱死，属于机械摩擦制动。

伺服电机的抱闸，只能用于安全保护。

其一般在电机的尾部，电机通电时它也通电吸合，这时它对电机不制动，当电机断电时它也断电，抱闸在弹簧的作用下刹住电机。

抱闸是在伺服驱动器处于停止状态时，防止伺服电机轴运动，使电机保持位置锁定，以使机械的运动部分不会因为自重或外力移动的机构。

当电机停止时，如果要保持机械结构静止，需电机提供较大的输出转矩。

如果停止的时间较长，使用伺服的自锁功能往往会造成电机过热或放大器过载。

或者上下驱动中，停电时或发生伺服报警时防止坠落。

以上情况就要选择带电磁制动的电机。

2.4. 小结
伺服控制器，无论正常工作时，因马达减速出现机械惯性形成的再生电能。

还是非正常工作出现的停机时，马达需要紧急快速制动而形成的多余电能。

均是对设备的安全性造成无法估量的伤害，严重的
将造成设备烧毁。

为避免此风险的出现，均需要在伺服控制器中加入再生电阻和动态制动电阻来保护。

电磁制动则根据设备实际的需要进行选用。

3.伺服驱动电路图简介
交流伺服驱动器通过交-直-交两次变换来控制伺服电机。

直流母线
（1）L1\L2\L3为三相交流输入电源，有三相380V的，有三相220V的，也有单相220V的交流伺服驱动器。

（2）二极管堆栈为整流模块（三相全桥整流），其作用是把交流电整流成直流电。

（3）逆变回路模块（IGBT）把直流电逆变成可控三相交流电，输出给伺服电机。

4.制动电阻
制动电阻，是波纹电阻的一种，外层使用散热能力强的铝壳包覆。

主要用于变频器控制电机快速停车的机械系统中，帮助电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。

它包括电阻阻值和功率容量两个主要参数。

工程上常用铝壳制动电阻，因为它具有较好的散热性能。

4.1. 制动电阻阻值和功率计算
制动电阻的最小值由再生制动电路晶体管的最大电流（I max）决定。

R min=P
泄I max
P
泄
为直流母线泄放点电压。

R m
i n
为制动电阻的最小值。

此制动电阻最小值可在伺服驱动样本上查得。

制动电阻的最大值和功率需要通过计算得出。

4.1.1.伺服系统的典型工作循环曲线
伺服运动系统典型的工作循环包括加速阶段，持续运动阶段，减速阶段以及静止阶段。

工作循环内共减速一次。

(1)在加速阶段ta，电机以最大驱动电流I_Max进行加速，电机转速从静止上升至工作转速;
(2)在持续运动阶段tb，电机运行在工作转速，电机电流取决于负载的大小;
(3)在减速阶段tc，电机以最大的制动电流-I_Max进行减速，电机转速从工作转速下降至静止转速。

在减速过程中，电机工作在制动发电状态，将机械动能转换为电能，该部分电能首先存储到电容里，造成电容电压的上升。

当电容电压上升到制动电阻的动作值时，过多的能量通过制动电阻进行耗散，制动电阻耗散的瞬时最大功率为PMax，耗散的平均功率为Pav。

(4)在静止阶段td，电机的电流取决于静止状态下负载的大小。

4.1.2.制动能量的计算
当伺服电机处于制动状态时，机械能转化为电能，制动过程产生的能量（等于设备的动能）计算如下：
E i为制动产生的能量，单位为J;
J t为系统的转动惯量，为电机转动惯量和负载转动惯量之和,单位为kgm2;
w nom为电机角速度，单位为rad/s;
n nom为伺服电机的工作转速，单位为r/min。

4.1.3.直流母线电容的吸收能量计算
制动产生的能量有一部分首先会存储到母线电容中，造成母线电容电压不断升高。

当母线电压达到制动电阻的启动电压时，多余的能量需要被制动电阻耗散掉，以防止电容电压过高造成系统故障。

E c一般可通过驱动器样本查得。

计算方法如下：
E c为储能电容可储存的能量，单位为J;
C为储能电容的容量,单位为F；
V b为制动电阻开启的电压阈值，单位为V；
V m为减速前直流母线的电压值，单位为V。

4.1.4.制动电阻耗散能量
当母线电压达到制动电阻的启动电压时，制动电阻需要耗散的能量计算如下：
E b为制动电阻需要耗散的能量,单位为J;
E el为为减速过程中系统的电能损耗;与伺服系统的逆效率有关。

即减速时，电机的机械能转化为直流母线电能的效率。

该效率与制动发生时的转速以及制动转矩有关，一般在80%~90%。

(1)制动电阻的峰值功率计算如下
t c为单次制动时间, 单位为s。

(2)制动电阻的连续运行功率计算如下：
T为工作循环周期，单位为s。

(3)制动电阻的最大阻值计算
制动电阻最大阻值取决于制动的峰值功率以及制动电阻开启的电压阈值：
R max=V b2 P max
R max是制动电阻的最大阻值，单位为Ω。

特别注意的是，根据上式计算出来的是满足该制动条件的最大电阻值。

在相同的开通电压下，更小的电阻值具有更大的瞬时功率，耗散相同的制动能量需要更短的持续时间。

4.1.
5.小结
制动电阻阻值R应满足：
R min＜R ＜ R max
使用内接制动电阻功率P i应满足：
P i>P av
使用外接制动电阻功率P应满足：
P＞P av÷ (1-70%)
考虑到散热问题，外接制动电阻一般需降额70%使用。

4.1.6.电机带负载工作的发电状态
两种典型的做负功应用
电机旋转方向与轴转动方向相同，正常电机向外部输出能量。

但某些特殊场合此时电机转矩输出与转动方向相反，此时电机作负功，外部能量通过电机产生电能回灌给驱动器。

比如用伺服电机做升降机，升降机的下降时，负载本身的重力向下，电机轴变换后的运动方向也向下，但是电机转矩向上。

此时发电功率Po(w)为：
P O=M⋅w=M⋅2πn 60
M为此时电机的输出转矩平均值，单位为Nm w为此时电机轴的角速度,单位为rad/s
n为此时电机的转速，单位为r/min
发电总能量E2i为：
E2i=P o⋅T2
T2为发电工作持续时间
电能损耗E2l为:
E2l=(0.1~0.2)E2i
制动能量E2b为：
F2b=E2i−E c−E2l
制动电阻功率P2为：
P2=E2b T2
外接制动电阻功率P应满足：
P＞P2÷ (1-70%)
4.1.7.往复运动的工作循环曲线
如图所示：此种工作循环为往复运动，一个运动周期内减速两次。

5.拓展-多轴系统的共直流母线方案
在多轴伺服系统中，各个轴的运动状态大概率是不同的，即某些伺服电机工作在制动发电状态时，另外一些伺服电机工作在电动耗能状态。

采用共直流母线技术进行能量交互，制动电机产生的能量可以供给电动耗能的电机，而不必通过制动电阻进行耗散，从而达到节能的效果。

同时，共直流母线的伺服系统相比传统的独立式伺服具有较少的系统部件，节省安装空间，降低系统成本等显著优点，因此在多轴伺服系统中获得越来越广泛的应用。

典型的共直流母线伺服系统包括输入配电单元，整流模块以及并联的伺服驱动单元。