交流电动机调速原理及调节特性
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机械工程实验教学中心
实验原理
内容一：交流伺服控制原理 • 目前常用的交流伺服电动机是永磁同步伺服电动
机即AC伺服电动机。交流伺服电动机的调速主回 路常采用矢量变换SPWM变频控制方式，通过频 率的改变来实现交流同步伺服电动机的调速。E M400教学设备采用的松下交流伺服电动机，驱 动器的控制方式也是采用正弦波PWM控制方式。 其控制原理方框图如下。：
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实验原理
为生成三相交流，需通过乘法器将电流幅值信号IM与电动机转子位置信号θ 通过矢量乘法运算来合成(按以下公式)。位置信号θ由光电编码器产生的脉冲信号 经过位置解码器处理成数字的电动机转子角位置。
iu IM sin
iv I M sin( 120 )
iw I M sin( 240 )
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实验原理
内容二：松下伺服驱动器接线及操作说明
主回路接线：松下伺服驱动器的主回路接线图如下(无论是做位置、速度还是 转矩控制)其主回路接线都是一样的，只是控制回路接线不一样。
在以下接线图中应该注意几点： ➢ 千万不可将电源输入线(L1、L2、L3)接至驱动器输出到电动机的动力线(U、 V、W)或外接再生放电电阻端子(P、B1、B2)上，这样做会损毁驱动器； ➢ 在本实验设备中，具体接线并不同于上图，主要是电源动力线的接法。松 下驱动器采用的供电电源为三相200V，按照要求应该将我国通用工业用 电的三相380V经变压器变换成三相200V接入。但由于本设备电动机的负 载较轻，按照松下伺服的规范，在空载或轻载时可以只引入两相交流电。 ➢ r,t,两端子为驱动器的控制电源输入端，为驱动器控制电路供电。
速度、转矩、位置偏差或是别的内容。该驱动器支持监测的内容有位置偏差(dp_eps)、 电动机速度(dp_spd)、转矩(dp_trq)、控制方式(dp_cnt)、输入输出信号状态(dp_io)、 报警(dp_err)、负载率(dp_o1)等。比如当你需要监测转矩时，你按SET键进入模式选 择状态，首先进入监视器模式，你按∧或∨键，当看到数码管显示dp_trq时停下，再按 SET键即可监测实时转矩。
1. 开机箱盖，连接好外部的限位回零、编码器以及电源动力线。
2. 打开电源，将电动机回零，选择一个驱动器，对其进行操作。
3. 首先观察一些重要参数：驱动器当前控制方式（02号参数）、驱动器 速度选择设定（内部/外部，05号参数）、第一速度环增益（11号参 数）、积分时间（12号参数）、速度前馈（15号参数）。
实验原理
伺服电动机控制方式有多种，主要有位置控制、速度控制、转 矩控制及复合控制等方式。它们的主要区别在于控制信号是—个什 么指令。位置控制时，控制信号是一个位置指令；速度控制时，控 制信号足一个速度指令；转矩控制时，控制信号是一个转矩指令。 复合控制用于一些特殊场合，或者先做位置，后做速度控制；或者 先做速度，后做转矩控制。由于控制方式不同，控制信号及驱动器 参数设置，外部接线都不一样。位置控制信号大都是脉冲加方向信 号，而速度和转矩指令大都是模拟电压信号。在EM400教学设备中， 驱动器做速度控制，即控制器PMAC发出的是模拟电压信号，其幅 值即速度的大小。其位置环闭合在PMAC卡上。
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实验原理
参数设置及调整：松下伺服驱动器的操作面板上有5个按键：MODE、SET、〈、∧、 ∨，其中〈、∧、∨键用来调整数值大小以及移动操作位，SET键用来设置参数， MODE键用来切换操作模式。松下驱动器的操作模式有以下几种：
监视器模式(缺省dp_spd，监视速度)：用来选择监视内容，即是在数码管中显示
驱动器速度环调整
1. 由于本实验装置的伺服驱动器做速度控制，位置环闭合在PMAC卡上，所以我们只 对伺服驱动器的速度环做调整。
2. 在调整前先切换到参数设置调整模式，查看11－14、20号参数并做相关记录。 3. 首先采用自动增益调整方式。自动增益调整需要切换到自动增益调整模式，操作
见参数设置及调整中相应模式，然后通过∧、∨键选择机械刚性值，本实验设备 驱动方式是滚珠丝杠+直连的方式，应选择4-8之间的值(at_no4-at _no8)。选择 完后可按照“自动增益调整模式”中所述进行调整。 4. 调整结束后切换到参数调整模式查看并记录第一速度环相关参数(11-14号参数、2 0号参数)。 5. 如果自动增益调整不能够达到所需要的效果，可以直接对相关参数进行修改进行 手动调节。 6. 手动调节是先切换到参数调整模式，逐渐增加11号参数(速度环增益)的值，按住操 作面板上的按键使电动机运动，直到电动机不产生异常响声或振动为止。 7. 然后逐渐减少12号参数(积分时间常数)到超调／失调减低到可以接受的程度。 8. 调整完毕后，进入参数写入模式，将新的参数存入驱动器。 9. 由于松下驱动器采用了滑模算法，无论是速度环还是位置环都有两套PID参数，在 低速到高速或高速到低速运转时，两套PID参数可以切换，以获得更好的调节效果。 以上调节实验仅调节了其第一速度环，如果同学们有兴趣，可以参照松下伺服驱 动器手册，自己调节相关参数，以获得更好的特性。
6. 执行完以上操作后，你可以试着改变一些与之相关的参数，比如手动 速度(57号参数)，在重新执行JOG操作。
7. 如果有兴趣的话，可以通过改变参数，试着用内部速度来使电动机运
行起来，并且可以调整加减速时间以及其它许多参数，使电动机运行
状态不同。
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实验步骤及内容
为了提高速度调节品质，现在的驱动器大都采用了以下两项关 键技术：一是在速度解码器中采用M／T测速方法，即在电动机高速 运转时，通过记录单位时间内的脉冲个数来实现速度测量，而在电 动机低速运转时，通过记录两脉冲之间的时间长短来实现速度测量。 这样无论是在高速或低速时都能很准确的测定电动机的转速。二是 数字调节器算法中采用先进的滑模算法，这种算法根据电动机在高 速和低速运行状态上的不同特性，分别给定不同的PID调节参数， 使各阶段的参数都能到优化。这样就使电动机在低速运行时平稳性 好，高速时跟随误差小。助模式包括以以下功能：
自动零漂调整(af_of5)、电动机手动测试(af_jog)、报警消除(af_acl)、绝 对编码器清除(af_enc)。通过∧、∨键来选择需要服务的项目。选择好后， 按SET键进入监视器／执行模式，再按∧键约3秒，执行开始，最后数码 管显示“finish”，调整结束。
参数写入模式(缺省ee_set，写入模式)：用来将修改后的参数存入存储器中。
进入该模式后，按SET键后数码管显示“eep_”，这时按住键约3秒出现“------”， 数码管显示finish显示写入完毕。
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自动增益调整模式(缺省AT_nol，低刚性)：用来进行自动增益调整。
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图1 松下机交械流工程伺实服验控教学制中原心理 机械工程实验教学中心
实验原理
以上控制框图只画出了速度环和电流部分。光电编码器产生的 脉冲信号经速度解码器处理成数字信号直接送到CPU，在数字调节 器中与速度给定信号进行比较运算（PID）后产生三相交流的电流 幅值信号IM
PULS1、PULS2、SIGN1、SIGN2：用于控制信号输入（脉冲及方向信号），本端子用 于位置控制时的信号输入（脚3、4、5、6）；
SPR/TRQR、GND：用于控制信号输入，本端子用于速度控制或转矩控制时的信号输入。 速度控制时SPR/TRQR是速度指令输入端，转矩控制时端子是转矩输入端（脚14、 15）；回来的脉冲信号同步的发送给其它的控制系统，EM400也采用了这种接法，将 反馈的脉冲同时送到驱动器和PMAC控制卡中（脚21、22、48、49、23、24）。
在这个端子中还有许多输出限制功能端子和一些输出信号，在这不做过多赘述，一个基本 的速度控制环只需接以上给出的一部分端子。
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实验原理
编码器反馈接线（CN SIG）端子：该端子即可接增量式码盘， 其具体接法可以参见驱动器说明书。以增量式码盘为例，它只需 接三相脉冲信号、RX、RX/和电源(+5V)。
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图2机、械松工下程实伺验服教驱学中动心器接线 机械工程实验教学中心
实验原理
控制电路接线(CN I/F)端子：由于控制方式不同，控制电路接线也会有所不同，以下只 把该端子的一些主要部分做说明，具体说明见松下伺服驱动器说明书。 COM+、COM-：用于为控制端子提供DCl2V-24V电源(脚7、41)； SRV-ON：如果该端子和控制电源地(COM-)相连，则伺服驱动器将允许工作，如果断 开，则驱动器禁止输出(脚29)； C-MODE：用于控制方式的切换，当驱动器做复合控制时(如先做位置控制后做速度控 制)，该端子起切换作用，该信号必须和参数PR02配合使用(脚32)；
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实验步骤及内容
交流伺服电动机机械特性实验
1. 断开电源，将附件(加力矩装置)装在X轴丝杠末端，将该附件的两个顶针 放在零位上(顶针外边缘和附件侧面的最外刻度线对起，此时弹簧处于自 然状态，没有任何变形，因此不会产生力矩)。
当三相电流获得后送入电流调节器同反馈回来的电流信号进行比较运算后经 PWM调制后到驱动电路，最后驱动伺服电动机工作。除了这些基本结构外，电 路中还加入了故障处理和保护环节，如过压、欠压、过流、断相及电动机过热等 硬件检测及保护电路。一旦出现故障将通知CPU并封锁输出。
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4. 操作如下：先按SET键进入监视模式，然后按MODE键切换到参数设 定模式，通过按∧、∨键来调整要观察的参数。按SET键进行观察， 但不要改变数值，记录下参数的数值。
5. 执行驱动器的“JOG”操作：按SET键进入监视模式，按MODE键切换 到辅助模式。通过按∧、∨键选择要服务的项目“af_jog”，进入该项 服务后按SET键，数码管显示“jog -”，这时按键∧约3秒钟，当数码 管显示“ready”时表示已经做好准备工作，这时按〈键约3秒钟，当数 码管显示“sru_on”时你就可以进行手动jog运动了。按键使电动机正转 或反转。
交流电动机调速原理及调节特性
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实验目的
了解交流变频调速系统的组成，掌握调速和稳速的 方法；
通过实验认识交流电动机的调速特性；
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实验设备
EM400交流伺服系统及其配套仪器、仪表 松下交流伺服电机及其控制器
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进入该模式后，按∧、∨选择机械刚性，然后按SET键，进入监视器／ 执行模式，数码管显示“atu —”，按住∧键3秒，数码管显示start，电 动机开始运转，在大约15秒的时间内，电动机重复5个周期(不一定都是 5个周期)，包括两转反时钟和两转顺时钟。运行结束数码管将显示finish， 如果觉得调整的效果不错，可以进入参数写入模式，将参数保存。
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实验原理
参数设定模式(缺省PR_00, 0号参数)：用来调整驱动器的各种参数。通过按
MODE键进入到该模式，在该模式下通过按〈、∧、∨来选择你要调整的参数号， 选定参数号后，按SET键对该参数进行设置，通过按键〈、∧、∨来调整参数大 小。调整完参数后需转入参数写入模式(见下面)，将参数储存，再次上电后参数 方可生效。
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实验步骤及内容
交流伺服电动机结构及特性
➢查看电动机及驱动器铭牌，记录相关型号。 ➢分别画出电动机的位置（脉冲加方向方式）、速
度、转矩控制时与驱动器连接图，对照原理框图， 说明其信号传递过程。
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实验步骤及内容
伺服驱动器的基本操作
实验原理
内容一：交流伺服控制原理 • 目前常用的交流伺服电动机是永磁同步伺服电动
机即AC伺服电动机。交流伺服电动机的调速主回 路常采用矢量变换SPWM变频控制方式，通过频 率的改变来实现交流同步伺服电动机的调速。E M400教学设备采用的松下交流伺服电动机，驱 动器的控制方式也是采用正弦波PWM控制方式。 其控制原理方框图如下。：
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为生成三相交流，需通过乘法器将电流幅值信号IM与电动机转子位置信号θ 通过矢量乘法运算来合成(按以下公式)。位置信号θ由光电编码器产生的脉冲信号 经过位置解码器处理成数字的电动机转子角位置。
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iv I M sin( 120 )
iw I M sin( 240 )
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内容二：松下伺服驱动器接线及操作说明
主回路接线：松下伺服驱动器的主回路接线图如下(无论是做位置、速度还是 转矩控制)其主回路接线都是一样的，只是控制回路接线不一样。
在以下接线图中应该注意几点： ➢ 千万不可将电源输入线(L1、L2、L3)接至驱动器输出到电动机的动力线(U、 V、W)或外接再生放电电阻端子(P、B1、B2)上，这样做会损毁驱动器； ➢ 在本实验设备中，具体接线并不同于上图，主要是电源动力线的接法。松 下驱动器采用的供电电源为三相200V，按照要求应该将我国通用工业用 电的三相380V经变压器变换成三相200V接入。但由于本设备电动机的负 载较轻，按照松下伺服的规范，在空载或轻载时可以只引入两相交流电。 ➢ r,t,两端子为驱动器的控制电源输入端，为驱动器控制电路供电。
速度、转矩、位置偏差或是别的内容。该驱动器支持监测的内容有位置偏差(dp_eps)、 电动机速度(dp_spd)、转矩(dp_trq)、控制方式(dp_cnt)、输入输出信号状态(dp_io)、 报警(dp_err)、负载率(dp_o1)等。比如当你需要监测转矩时，你按SET键进入模式选 择状态，首先进入监视器模式，你按∧或∨键，当看到数码管显示dp_trq时停下，再按 SET键即可监测实时转矩。
1. 开机箱盖，连接好外部的限位回零、编码器以及电源动力线。
2. 打开电源，将电动机回零，选择一个驱动器，对其进行操作。
3. 首先观察一些重要参数：驱动器当前控制方式（02号参数）、驱动器 速度选择设定（内部/外部，05号参数）、第一速度环增益（11号参 数）、积分时间（12号参数）、速度前馈（15号参数）。
实验原理
伺服电动机控制方式有多种，主要有位置控制、速度控制、转 矩控制及复合控制等方式。它们的主要区别在于控制信号是—个什 么指令。位置控制时，控制信号是一个位置指令；速度控制时，控 制信号足一个速度指令；转矩控制时，控制信号是一个转矩指令。 复合控制用于一些特殊场合，或者先做位置，后做速度控制；或者 先做速度，后做转矩控制。由于控制方式不同，控制信号及驱动器 参数设置，外部接线都不一样。位置控制信号大都是脉冲加方向信 号，而速度和转矩指令大都是模拟电压信号。在EM400教学设备中， 驱动器做速度控制，即控制器PMAC发出的是模拟电压信号，其幅 值即速度的大小。其位置环闭合在PMAC卡上。
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参数设置及调整：松下伺服驱动器的操作面板上有5个按键：MODE、SET、〈、∧、 ∨，其中〈、∧、∨键用来调整数值大小以及移动操作位，SET键用来设置参数， MODE键用来切换操作模式。松下驱动器的操作模式有以下几种：
监视器模式(缺省dp_spd，监视速度)：用来选择监视内容，即是在数码管中显示
驱动器速度环调整
1. 由于本实验装置的伺服驱动器做速度控制，位置环闭合在PMAC卡上，所以我们只 对伺服驱动器的速度环做调整。
2. 在调整前先切换到参数设置调整模式，查看11－14、20号参数并做相关记录。 3. 首先采用自动增益调整方式。自动增益调整需要切换到自动增益调整模式，操作
见参数设置及调整中相应模式，然后通过∧、∨键选择机械刚性值，本实验设备 驱动方式是滚珠丝杠+直连的方式，应选择4-8之间的值(at_no4-at _no8)。选择 完后可按照“自动增益调整模式”中所述进行调整。 4. 调整结束后切换到参数调整模式查看并记录第一速度环相关参数(11-14号参数、2 0号参数)。 5. 如果自动增益调整不能够达到所需要的效果，可以直接对相关参数进行修改进行 手动调节。 6. 手动调节是先切换到参数调整模式，逐渐增加11号参数(速度环增益)的值，按住操 作面板上的按键使电动机运动，直到电动机不产生异常响声或振动为止。 7. 然后逐渐减少12号参数(积分时间常数)到超调／失调减低到可以接受的程度。 8. 调整完毕后，进入参数写入模式，将新的参数存入驱动器。 9. 由于松下驱动器采用了滑模算法，无论是速度环还是位置环都有两套PID参数，在 低速到高速或高速到低速运转时，两套PID参数可以切换，以获得更好的调节效果。 以上调节实验仅调节了其第一速度环，如果同学们有兴趣，可以参照松下伺服驱 动器手册，自己调节相关参数，以获得更好的特性。
6. 执行完以上操作后，你可以试着改变一些与之相关的参数，比如手动 速度(57号参数)，在重新执行JOG操作。
7. 如果有兴趣的话，可以通过改变参数，试着用内部速度来使电动机运
行起来，并且可以调整加减速时间以及其它许多参数，使电动机运行
状态不同。
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实验步骤及内容
为了提高速度调节品质，现在的驱动器大都采用了以下两项关 键技术：一是在速度解码器中采用M／T测速方法，即在电动机高速 运转时，通过记录单位时间内的脉冲个数来实现速度测量，而在电 动机低速运转时，通过记录两脉冲之间的时间长短来实现速度测量。 这样无论是在高速或低速时都能很准确的测定电动机的转速。二是 数字调节器算法中采用先进的滑模算法，这种算法根据电动机在高 速和低速运行状态上的不同特性，分别给定不同的PID调节参数， 使各阶段的参数都能到优化。这样就使电动机在低速运行时平稳性 好，高速时跟随误差小。助模式包括以以下功能：
自动零漂调整(af_of5)、电动机手动测试(af_jog)、报警消除(af_acl)、绝 对编码器清除(af_enc)。通过∧、∨键来选择需要服务的项目。选择好后， 按SET键进入监视器／执行模式，再按∧键约3秒，执行开始，最后数码 管显示“finish”，调整结束。
参数写入模式(缺省ee_set，写入模式)：用来将修改后的参数存入存储器中。
进入该模式后，按SET键后数码管显示“eep_”，这时按住键约3秒出现“------”， 数码管显示finish显示写入完毕。
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自动增益调整模式(缺省AT_nol，低刚性)：用来进行自动增益调整。
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图1 松下机交械流工程伺实服验控教学制中原心理 机械工程实验教学中心
实验原理
以上控制框图只画出了速度环和电流部分。光电编码器产生的 脉冲信号经速度解码器处理成数字信号直接送到CPU，在数字调节 器中与速度给定信号进行比较运算（PID）后产生三相交流的电流 幅值信号IM
PULS1、PULS2、SIGN1、SIGN2：用于控制信号输入（脉冲及方向信号），本端子用 于位置控制时的信号输入（脚3、4、5、6）；
SPR/TRQR、GND：用于控制信号输入，本端子用于速度控制或转矩控制时的信号输入。 速度控制时SPR/TRQR是速度指令输入端，转矩控制时端子是转矩输入端（脚14、 15）；回来的脉冲信号同步的发送给其它的控制系统，EM400也采用了这种接法，将 反馈的脉冲同时送到驱动器和PMAC控制卡中（脚21、22、48、49、23、24）。
在这个端子中还有许多输出限制功能端子和一些输出信号，在这不做过多赘述，一个基本 的速度控制环只需接以上给出的一部分端子。
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编码器反馈接线（CN SIG）端子：该端子即可接增量式码盘， 其具体接法可以参见驱动器说明书。以增量式码盘为例，它只需 接三相脉冲信号、RX、RX/和电源(+5V)。
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图2机、械松工下程实伺验服教驱学中动心器接线 机械工程实验教学中心
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控制电路接线(CN I/F)端子：由于控制方式不同，控制电路接线也会有所不同，以下只 把该端子的一些主要部分做说明，具体说明见松下伺服驱动器说明书。 COM+、COM-：用于为控制端子提供DCl2V-24V电源(脚7、41)； SRV-ON：如果该端子和控制电源地(COM-)相连，则伺服驱动器将允许工作，如果断 开，则驱动器禁止输出(脚29)； C-MODE：用于控制方式的切换，当驱动器做复合控制时(如先做位置控制后做速度控 制)，该端子起切换作用，该信号必须和参数PR02配合使用(脚32)；
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1. 断开电源，将附件(加力矩装置)装在X轴丝杠末端，将该附件的两个顶针 放在零位上(顶针外边缘和附件侧面的最外刻度线对起，此时弹簧处于自 然状态，没有任何变形，因此不会产生力矩)。
当三相电流获得后送入电流调节器同反馈回来的电流信号进行比较运算后经 PWM调制后到驱动电路，最后驱动伺服电动机工作。除了这些基本结构外，电 路中还加入了故障处理和保护环节，如过压、欠压、过流、断相及电动机过热等 硬件检测及保护电路。一旦出现故障将通知CPU并封锁输出。
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5. 执行驱动器的“JOG”操作：按SET键进入监视模式，按MODE键切换 到辅助模式。通过按∧、∨键选择要服务的项目“af_jog”，进入该项 服务后按SET键，数码管显示“jog -”，这时按键∧约3秒钟，当数码 管显示“ready”时表示已经做好准备工作，这时按〈键约3秒钟，当数 码管显示“sru_on”时你就可以进行手动jog运动了。按键使电动机正转 或反转。
交流电动机调速原理及调节特性
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了解交流变频调速系统的组成，掌握调速和稳速的 方法；
通过实验认识交流电动机的调速特性；
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EM400交流伺服系统及其配套仪器、仪表 松下交流伺服电机及其控制器
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进入该模式后，按∧、∨选择机械刚性，然后按SET键，进入监视器／ 执行模式，数码管显示“atu —”，按住∧键3秒，数码管显示start，电 动机开始运转，在大约15秒的时间内，电动机重复5个周期(不一定都是 5个周期)，包括两转反时钟和两转顺时钟。运行结束数码管将显示finish， 如果觉得调整的效果不错，可以进入参数写入模式，将参数保存。
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参数设定模式(缺省PR_00, 0号参数)：用来调整驱动器的各种参数。通过按
MODE键进入到该模式，在该模式下通过按〈、∧、∨来选择你要调整的参数号， 选定参数号后，按SET键对该参数进行设置，通过按键〈、∧、∨来调整参数大 小。调整完参数后需转入参数写入模式(见下面)，将参数储存，再次上电后参数 方可生效。
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交流伺服电动机结构及特性
➢查看电动机及驱动器铭牌，记录相关型号。 ➢分别画出电动机的位置（脉冲加方向方式）、速
度、转矩控制时与驱动器连接图，对照原理框图， 说明其信号传递过程。
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伺服驱动器的基本操作