伺服应用技术

编码器
抱闸
伺服控制器（控制接线不含通讯方式） 电源接线：滤波器，变压器，区别单相200V-220V，3相200V，3相380V-400V 编码器接线：注意接线使用3芯屏蔽+2芯双绞屏蔽线 控制端接线： CN1
控制模式（位置（PT和PR），速度，扭矩，混合），使用PNP方式，还是NPN方式 电压等级DC5V还是DC24V
匀速扭矩Tb = Tf = 1.387 N.m
减速扭矩Tc = TA – Tf = 11.285 N.m 实效扭矩Trms = sqrt[(Ta2*t1 + Tb2*t2 + Tc2*t3) / (t1+t2+t3)] = sqrt[(14.0592*0.2 + 1.3872*1 + 11.2852*0.2)/(0.2+1+0.2)] = sqrt[(39.531+1.924+25.47)/1.4] = 6.914 N.m
高惯量电机（1KW）：扭矩4.8NM，最大扭矩14.4，惯性26，额定转速 2000，最大转速3000
三菱伺服 小惯量电机：扭矩2.4NM，最大扭矩7.2，惯性1.14/1.32，额定转速3000， 最大转速4500
中/高惯量电机1KW：扭矩4.77NM，最大扭矩14.3，惯性11.9，额定转速 2000，最大转速3000
按照负载惯量 < 3倍电机转子惯量JM的原则 如果选择400W电机，JM = 0.277kg.cm2，则15625 / R2 < 3*0.277，R2 > 18803，R > 137 输出转速=3000/137=22 rpm，不能满足要求。
如果选择500W电机，JM = 8.17kg.cm2，则15625 / R2 < 3*8.17，R2 > 637 ，R > 25
伺服电机选型计算示例三
已知：负载重量M=200kg，螺杆螺距PB=20mm，螺杆直径
DB=50mm，螺杆重量MB=40kg，摩擦系数µ=0.2，机械效率 η=0.9，负载移动速度V=30m/min，全程移动时间t=1.4s，加减
速时间t1=t3=0.2s，静止时间t4=0.3s。请选择满足负载需求的最
总负载惯量JL = JW + JB = 145.29
kg.cm2
= 30 / 0.02 = 1500 rpm
V和PB单位要一致
伺服电机选型计算示例三
2. 计算电机驱动负载所需要的扭矩
克服摩擦力所需转矩Tf = M * g * µ（摩擦系数） * PB / 2π / η（机械效率） = 200 * 9.8 * 0.2 * 0.02 / 2π / 0.9
= 50 * (30 / 60 / 0.2) * 0.06 / 2 / 10
= 0.375 N.m 伺服电机额定转矩 > Tf ，最大扭矩 > Tf + Ta
伺服电机选型计算示例二
3. 计算电机所需要转速
N = v / (πD) * R1 = 30 / (3.14 * 0.12) * 10
= 796 rpm
伺服控制器（PLC控制寻零控制） 寻零接线方式： 原点输入信号（传感器），原点接近输入信号（传感器）,极限开关，使用PLC CPU本体输入点。注意PLC手册中关于伺服控制IO点的说明，严格执行。 寻零方式： 控制器本体功能寻零方式，如台达，此时控制器输入信号要有原点及开始寻零设置点。 输出要有寻零完成设置点。 PLC控制寻零方式，方式灵活，参数完全开放。 根据伺服电机编码器的类型分类，绝对值编码器寻零方式，相对值编码器寻零方式 绝对值编码器：允许用户设置轴的当前位置 两种模式（模式0，模式1） 相对值编码器：可相对于回原点参考传感器放置轴 两种模式（模式2，模式3）
加减速转矩
伺服电机选型计算示例一
已知：圆盘质量M=50kg，圆盘 直径D=500mm，圆盘最高转速 60rpm，请选择伺服电机及减速 机。
伺服电机选型计算示例一
计算圆盘转动惯量 JL = MD2/ 8 = 50 * 2500 / 8 = 15625 kg.cm2
假设减速机减速比1：R，则折算到伺服电机轴上负载惯量为15625 / R2。
伺服控制器（PLC控制寻零控制） 绝对值编码器寻零： ● 模式 0 - 绝对式直接参考： 指令执行时，此模式将告知轴它的确切位置。 该模式将内部位置变量设置为回原点指令的 Position 输入的值。 此模式用于机器校准和设置。 轴位置的设置与参考点开关无关。 也不会终止当前的行进运动。 MC_Home 指令 的 Position 输入参数的值将被立即设置为轴的参考点。 要将参考点分配给具体的机械位置，在执行回原点操作时轴必须停止在该位置。 ● 模式 1 - 相对式直接参考： 指令执行时，该模式将使用内部位置变量并加上回原点指令的 Position 输入的值 。 考虑到机器偏移时通常使用此模式。 轴位置的设置与参考点开关无关。 也不会终止当前的行进运动。 以下语句适用于回到原点后轴的定位： 新轴位置 = 当前轴位置 + MC_Home 指令 的 Position 参数的值。
脉冲方式：脉冲+方向（脉冲列 +符号） CW+CCW脉冲（正转脉冲列及逆转脉冲列） 差分输入(AB 相脉冲列) 考虑应接的控制线： 输入信号：伺服使能（ SON ）正转极限（ SPL ）反转极限（SNL）复位功能（reset） 输出信号：伺服备妥（SRDY）伺服报警（ALRM）马达零速（ZCLAMP） 脉冲清除（ CCLR ）正转寸动（JOGU ）反转寸动（ JOGD ） 紧急停止（STOP）
台达伺服 小惯量电机：扭矩2.39NM，最大扭矩7.16，惯性1.13，额定转速3000，最大转 速5000 中/高惯量电机(1.2KW)：扭矩4.0NM，最大扭矩12.0，惯性5.4，额定转速 2000/1000，最大转速3000/2000
国产伺服 小惯量电机：扭矩2.39NM，最大扭矩7.1，惯性1.05，额定转速3000，最大转 速4000 中惯量电机(1.2KW)：扭矩4.77NM，最大扭矩14.3，惯性8.41，额定转速2000 ，最大转速3000 高惯量电机(1KW)：扭矩10NM，最大扭矩30，惯性11.05，额定转速1000，最 大转速2000
增量式编码器 电机需回原点 绝对式编码器 电机不必回原点
主要品牌伺服电机特性的简介（0.75KW）扭矩
松下伺服（A6系列） 小惯量电机：扭矩2.4NM，最大扭矩7.1，惯性1.31/1.32，额定转速3000， 最大转速4500
中惯量电机：扭矩3.57NM，最大扭矩10.7，惯性2.82，额定转速2000，最 大转速3000
4. 选择伺服电机
伺服电机额定扭矩 T > Tf 且 T > Trms
伺服电机最大扭矩 Tmax > Tf + TA
伺服电机抱闸的应用 伺服电机抱闸是伺服静止时的停止制动力，不代表 负载的惯性矩，惯性矩不够时可以考虑使用外部制 动电阻，增加惯性制动力，不建议使用抱闸制动， 会减少抱闸的使用寿命，且会在定位结束前造成电 机报警，定位未完成。 伺服电机抱闸工作原理： 抱闸安装位置，抱紧的是电机主轴。 电机 抱闸使用范围： 在静止时，会因外力产生位置移动的，如垂直升降机构。 伺服电机在启动后，电机会自动固定当前位置，所以在 电机未启动完成前，不要松开抱闸。控制器带抱闸控制 功能的，是在运动命令执行开始前，松开抱闸，直到伺 服使能关闭或强行断电。
决定伺服电机大小的因素
传动方式 负载重量 皮带轮/滚珠丝杆等传动件重量 减速比 皮带轮直径/滚珠丝杆螺距 加减速特性
运行速度
摩擦系数
机械效率
伺服电机选型计算公式
力矩與轉動方程式
力矩的意义：使物体转动状态产生变化的因素，即当 物体受到部位零的外力作用，由原来的静止开始转动 ，原来已经转动的，转速将产生变化 力矩的定义：如右图，考虑开门的情况，欲产生转动 ，必须施加外力F，切垂直于门面的分力能让门转动， 离转轴越远，越容易转动。
交流伺服电机的特性及应用
步进电机与伺服电机的区别
1°=3600″
国产的伺服电机电气使用电气性能上等同于步进电机 在控制系统的设计过程中，优先考虑伺服电机
伺服分类： 交流伺服，永磁伺服电机，直流伺服，有刷电机，无刷电机
伺服精度控制
伺服控制反馈，编码器返回位置编码
（1）普通型：2500p/r 增量式编码器。 （2）高精度型：17 位型（217）增量式编码器 （3）特殊型217 位型（217）绝对式编码器。
每转位移 = 丝杠导程*减速比
摩擦系数*活动部件重量*重力系数（ 9.8 ）*每转移送量 负载扭矩（Nm） = * 运动系效率（0.8）
伺服电机选型计算公式（惯量计算）
伺服电机选型计算公式（惯量计算）
伺服电机选型计算公式（惯量计算）
伺服电机选型计算公式（负载惯量矩）
全负载惯量矩 =活动部惯量矩+滚珠螺杆惯量矩+伺服电机轴惯量矩+负载轴惯量矩
或顺时钟方向的转动。因此力矩为一维度向量。力矩符号規則一般选取如下 ：正号：逆时针方向，符号：顺时针方向 转动方程式：考虑一绕固定轴转动的刚体（如右图）。 距离转轴为 r 处的一质量为 m 的质ห้องสมุดไป่ตู้，受到一力量 F 的作用，根据切线方向的牛頓第二运动定律 转动惯量以符号 I 表示
伺服电机选型计算公式（扭矩）
输出转速=2000/25=80 rpm，满足要求。 这种传动方式阻力很小，忽略扭矩计算。
伺服电机选型计算示例一
这种传动方式与前一种传动方式相同 ，选型时主要考虑负载惯量的计算， 计算公式也与前面相同。
总结：转动型负载主要考虑惯量计算 。
伺服电机选型计算示例二
已知：负载重量M=50kg，同步带 轮直径D=120mm，减速比R1=10 ，R2=2，负载与机台摩擦系数 µ=0.6，负载最高运动速度 30m/min，负载从静止加速到最 高速度时间200ms，忽略各传送 带轮重量，驱动这样的负载最少 需要多大功率电机？
伺服电机选型计算公式（转速计算）
电机转速=运料速度/滚轴丝杠导程 * 减速比倒数 结果是转速r/min。即每分钟多少转。此为电机的额定转速
其它参数，加减速时间常数，运行模式，此参数影响惯量参数， 一般设定为0.05-1.00 S，具体视实际确定
结果得到确定是时间节拍，决定使用电机的额定转速
伺服电机选型计算公式（转矩）
伺服电机选型计算示例二
1. 计算折算到电机轴上的负载惯量 JL = M * D2 / 4 / R12 = 50 * 144 / 4 / 100 = 18 kg.cm2 按照负载惯量 < 3倍电机转子惯量JM的原则 JM > 6 kg.cm2 2. 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩Tf = M * g * µ * (D / 2) / R2 / R1 = 50 * 9.8 * 0.6 * 0.06 / 2 / 10 = 0.882 N.m 加速时所需转矩Ta = M * a * (D / 2) / R2 / R1
= 1.387 N.m
所需加速扭矩 TA= 2π* N * (JW + JB) / (60 * t1) / η = 6.28 * 1500 * 0.014529 / 12 / 0.9
= 12.672 N.m
伺服电机选型计算示例三
3.计算瞬时最大扭矩： 加速扭矩Ta = TA + Tf = 14.059 N.m
伺服电机选型计算公式（扭矩）
伺服电机选型计算公式（准备参数）
1. 选择条件 (1) 机械组成 动部位送料速度 V0 = 30000 mm/min 每个周期的送料量 ℓ = 400 mm 定位时间 t0 = 1 s以内 送料次数40回/min (运行周期tf = 1.5 s) 减速比 1/n = 5/8 活动部位重量 W = 60 kg 驱动系效率 η = 0.8 摩擦系数 μ = 0.2 材质密度 kg/ 滚珠丝杠导线 PB = 16 mm LB = 滚珠丝杠长度500 mm DB = 滚珠丝杠直径20 mm DG1 = 齿轮直径 (伺服电机轴) 25 mm DG2 = 齿轮直径 (负载轴) 40 mm LG = 齿轮厚度10 mm
力矩 T（Nm）=有效作用力 Fsinɵ * 力臂 r
有效作用力=力矩 T（Nm） / 力臂 r
使质量为1kg的物体产生1m/s² 加速度的力，叫做1N； 即1N=1kg· m/s² 。
人手臂使用拧紧枪最大承受扭矩28NM
力矩的单位：S.I. 制中的单位为牛頓‧公尺（N‧m） 力矩的方向与符号：绕固定軸转动的物体，力矩可使物体产生逆时钟方向，
小功率伺服电机。
伺服电机选型计算示例三
1. 计算折算到电机轴上的负载惯量 重物折算到电机轴上的转动惯量JW = M * ( PB / 2π)2 = 200 * (2 / 6.28)2 = 20.29 kg.cm2
PB单位为CM
螺杆转动惯量JB = MB * DB2 / 8 MB螺杆重量
= 40 * 25 / 8 = 125 kg.cm2 DB螺杆直径 2. 计算电机转速 电机所需转速 N = V / PB