交流电动机调速

null交流电动机调速原理及调节特性交流电动机调速原理及调节特性机械工程实验教学中心实验目的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；机械工程实验教学中心实验设备实验设备EM400交流伺服系统及其配套仪器、仪 松下交流伺服电机及其控制器机械工程实验教学中心实验原理实验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。EM400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。：内容一：交流伺服控制原理 机械工程实验教学中心实验原理实验原理机械工程实验教学中心实验原理实验原理 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 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。 机械工程实验教学中心实验原理实验原理 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。 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。 机械工程实验教学中心实验原理实验原理 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。机械工程实验教学中心实验原理实验原理主回路接线：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。 内容二：松下伺服驱动器接线及操作说明 机械工程实验教学中心实验原理实验原理机械工程实验教学中心实验原理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)； 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。机械工程实验教学中心实验原理实验原理 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)。机械工程实验教学中心实验原理实验原理 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。机械工程实验教学中心实验原理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。 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。机械工程实验教学中心实验原理实验原理自动增益调整模式(缺省AT_nol，低刚性)：用来进行自动增益调整。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。 辅助模式(缺省af_of5，自动零漂调整方式)：辅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。机械工程实验教学中心实验步骤及内容 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。 机械工程实验教学中心实验步骤及内容 实验步骤及内容 伺服驱动器的基本操作 开机箱盖，连接好外部的限位回零、编码器以及电源动力线。 打开电源，将电动机回零，选择一个驱动器，对其进行操作。 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）。 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。 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。 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。 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。机械工程实验教学中心实验步骤及内容 实验步骤及内容 驱动器速度环调整 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。 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。 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。 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、20号参数)。 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。 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。 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。 调整完毕后，进入参数写入模式，将新的参数存入驱动器。 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。机械工程实验教学中心实验步骤及内容 实验步骤及内容 交流伺服电动机机械特性实验 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)。 连接EM400与上位机。 接通电源，运行PEWIN执行软件，拨动EM400面板上的轴选择开关，选择X轴，并将其回零。 参照直流伺服电机实验内容三的步骤，在丝杠轴上加负载力矩。 打开EM400箱体盖，调整松下伺服驱动器的相关设置，使之显示电动机转速。具体操作如下：找到X轴电动机的对应驱动器，按住SET键，使驱动器处于监视模式调整状态，按∧ 或∨ 键使数码管显示dp_spd，用以监测转速，最后按SET键。在终端窗口调整I122号参数使电动机手动速度为200rpm／min(具体计算用公式I122=手动速度／6)。 按EM400面板上的“J+”按键，使电动机正转(注意不要超过行程)。 检测驱动器上：显示的转速并记录，然后使电动机回原点。 参照直流伺服电机实验内容三的步骤，逐渐增加丝杠轴上负载力矩，重复步骤6、7，做4次，并做记录。 将机箱盖盖好并关机。机械工程实验教学中心思考题、要求思考题、报告要求思考题： 松下伺服驱动器的操作模式都有哪几种? 通过改变哪些外部接线和内部参数实现复合控制方式，松下伺服的复合控制方式都有哪几种? 简述速度环手动调整过程。 交流伺服变频调速需要注意什么问题? 在额定转速上调速，转矩如何变化? 报告要求： 整理PID相关参数值的记录，并写出其所表达的意义。 比较自动增益调整前后相关参数的值，叙述意义。 整理所测数据，并绘制机械特性曲线图。 根据以上试验结果，说明交流伺服电动机机械特性有何特点，填写实验报告，分析相关问题。机械工程实验教学中心注意事项注意事项服从教师的安排、实验时注意安全； 详细阅读伺服驱动器操作说明； 熟悉松下交流伺服以及PMAC卡的相关参数设定； 熟悉松下交流伺服驱动器做位置、速度、转矩控制时的接线以及相关参数设置； 进行控制环手动调整时一定要注意不可一上来就把11号参数(速度环增益)设置的太高，引起电动机振动或导致机械损伤，要慢慢增大该值。机械工程实验教学中心