伺服驱动器原理及应用培训

六、再生
时序
在下面的例子中，假定有200V的电源连接到伺服驱动器，并参考简单的 再生电路示意图。
一个正常的P-N母线电压是283V（200*1.41），当电机开始减速时， 回馈到驱动器的能量开始提升P-N电压，一些或全部的能量被用于给电容C1 充电。
然而，如果母线电压超过380VDC，再生晶体管（TR1）就会打开，能 量就会消耗到电阻R1上，晶体管实际在380VDC到370VDC循环开关。 带负载的减速将需要几个这样的循环周期。当有再生不足时，可能会发 生过压报警（A13），表示母线电压超过420VDC，或者发生再生异常报警 （A16），表示TR1打开时间太长（一个内部寄存器专用于记录TR1的开/关 时间）。
六、再生
再生的计算
电机产生的能量： En=0.5JM[(2πN/60)2]
电容消耗的能量：
Ec=0.5C（Vk2-Vr2） 电机绕组消耗的能量： Em= 3[JMN(2πIr/60Tr)]2*(Ra/td) 负载消耗的能量： EL=0.5TL(2πNtd/60) 因为所有的能量之和必须为0，所以我们能够计算 出电阻必须消耗的能量为 Er=En-Ec-Em-EL
因此我们可以计算出再生电阻的功率为
Wr=Er/Cycle
六、再生
再生的计算
如果再生电阻的功率超过内部电阻的额定功率，我们必须外加一个电阻 以弥补这些差额。 正如我们在公式中看到的，电机在停止负载时产生的能量，负载、电容 C1、电机绕组、电阻R1都参与了能量的消耗。 [注意]伺服驱动器不能应用于连续再生模式。
一、电流环 二、速度环 三、位置环 四、主回路 五、动态制动 六、再生 七、伺服选型
一、电流环
功能图
一、电流环
电流传感器
电流传感器CT1和CT2在电流环中
的作用就是感应通过电机的电流，并且 将它转换为一个模拟电压信号。然后这 个模拟电压信号经过PWM转换电路到 ASIC。在这里只需要2个电流传感器， 因为CPU能够根据公式Iu+Iv+Iw=0计 算出W相的电流。
七、伺服选型
选型举例：步骤6
步骤6：计算最大转矩：如下计算最大转矩TP： 最大转矩(TP) = 加速转矩(Tacc) + 连续转矩(TL)
因为NM=NL
用我们选的EMH-05AP-D04电机的最大转矩和这个值比较。我们的电机的最大 转矩是10N· m，高于需要的最大转矩。我们的选择可以继续下一步。
七、伺服选型
RMS转矩
RMS（均方根）转矩一定不能超过电 机的额定转矩。 它的公式是电机选型最重要的公式。
[注意]电机的发热情况依赖于工作循环和 RMS转矩。
七、伺服选型
允许的负载惯量
负载惯量JL应当总是大于电机惯量JM。 允许的负载惯量依赖于使用的电机的再生和 动态制动。对于小的伺服电机，允许的负载 惯量是电机惯量的10~30倍。对于大的伺服 电机，允许的负载惯量降到电机惯量的5倍。
一、电流环
功率晶体管
在电流环中包括6个功率晶体管。
EDB伺服驱动器中使用的是IPM—智能 功率模块，内置有6个IGBT及其驱动电 路，另外，还包括过流检测、过热检测。 EDB-05使用了15A的IPM。
EDB-10/15使用了30A的IPM。 EDB-20使用了50A的IPM。 EDB-30/50使用了75A的IPM。
2）脉冲指令频率太低。
3）电子齿轮比太高（超过10/1）。
三、位置环
前馈功能
前馈功能缩短定位时间。前馈将
使实际运动轮廓逼近指令运动轮廓。 通常前馈增益Pn017设定在80%以 下，对于大多数机械，设定超过80% 将会引起振动，使用前馈滤波Pn025 可以减小振动。
三、位置环
偏置功能
通过分配偏置（设定偏 差脉冲）到速度指令输出可 以减小最终的定位时间。该 功能将使实际运动轮廓逼近 指令运动轮廓。
五、动态制动
动态制动的方法
通过动态制动使电机突然停止的
方法有两种：1）通过短接电机U、V、 W相的绕组；2）将转子能量消耗到 电阻上。
五、动态制动
动态制动是如何发生的？
第一种情况：
双继电器版本的EDB伺服驱动 器的动态制动电路使用一个继电器 造成电机绕组短路，从而使电机紧 急停机。当用在大功率伺服上时这 种方法不是很安全。
当再生电路中需要更大的元器件时必须有外部再生。有时，在一些特殊 应用中C1或R1的功率不够大，在这种情况下，就需要一个外部的电阻或电容 作为内部元器件的补充。
六、再生
再生的目的
EDC伺服驱动器只有电容C1用于内部再生。如果需要外部再生，则需要
将外部再生单元接到驱动器的P和N端子上。如果一个系统中有多个这类的伺 服驱动器，通过将每一台驱动器的所有P端子连接在一起、所有N端子连接在 一起，可能可以增加再生的容量。这相当于将所有的C1并联。但是这必须依 赖于对系统执行周期的完整分析。 5.0kW以下的EDB伺服驱动器都有内部电阻R1和电容C1。如果需要外 部再生，必须由技术服务人员将内部R1去掉，并且在P和B端子上外接电阻。
七、伺服选型
连续转矩
连续动态转矩是当我们运行在不变的速 度时带载情况下的转矩。这个转矩应当不会 超过电机的额定转矩。 连续转矩（TL）< 额定转矩（TR）
七、伺服选型
最大转矩
最大转矩是一个应用需要的起动转矩。 最大转矩（峰值转矩；TP）= 连续转矩 + 加速转矩。
需要的最大转矩必须小于最大电机转矩。
五、动态制动
动态制动是如何发生的？
第二种情况：
1.5kW以下的EDB伺服驱动器 的动态制动电路虽然是通过一个继 电器动作的，但实际上是用一个动 态制动电阻消耗电机转子能量。这 种方法使电机有一个较长的减速时 间和平滑的停机。
五、动态制动
动态制动是如何发生的？
第三种情况：
2kW以上的EDB伺服驱动器的 动态制动电路通过一个可控硅代替 继电器动作，这是与1.5kW以下的 伺服驱动器唯一不同的地方。电机 转子能量也是消耗在动态制动电阻 上。这种方法也使电机平滑的减速。
选型的检查点
1）速度 2）连续转矩 3）最大转矩 4）RMS转矩 5）负载惯量/电机惯量 6）再生
七、伺服选型
速度检查
在大多数情况下，被驱动的电机转速应 当低于电机的额定转速。然而，在一些应用 中，我们可以超过额定转速达到最大转速。 通常，这是轻负载或无负载的应用。当我们 运行电机超过额定转速时，我们必须知道驱 动的电机转速对应的额定转矩，最大转矩和 负载惯量。
五、动态制动
动态制动何时发生？
Servo Off：动态制动打开以保证安全。
Servo On：动态制动关闭。
伺服驱动器进入Servo Off状态，当： 1）S-ON输入信号关闭；
2）超程；
3）伺服报警发生； 4）主电源关闭。 当以上事件发生时，我们能够通过设定参数Pn004指定电机如何停机。
五、动态制动
七、伺服选型
再生检查
通常，在选型的时候不需要检查再生。 然而，有三种情况必须计算再生。如下： 1）当驱动的电机转速NL超过额定电机转速 NR。 2）当负载惯量JL超过它的允许值。 3）当应用中有重力因素（垂直负载应用）。
七、伺服选型
选型举例
我们将按照下面的步骤为这个应用选择电机。 1）计算惯量 2）计算负载转矩 3）计算速度 4）计算加速度 5）预估 6）计算最大转矩 7）计算RMS转矩
一、电流环
CPU
CPU比较电流指令和电流反馈，
作为结果的波形送入放大器，再经 过PWM后将信号送到功率晶体管。
一、电流环
PWM
PWM（脉宽调制）是一种将模
拟信号转换为数字信号的方法。在模 拟信号上加上一个载波频率，其大小 依赖于功率模块的开关次数。每当模 拟信号与载频波形交叉时，PWM输 出就发生一次转换，一系列的转换就 形成了方波信号，其表现为模拟信号 的平均值，相当于该信号的数字形态。
七、伺服选型
选型举例：步骤1
步骤1：计算惯量：为了计算此应用的总惯量。我们必须分别计算联轴器、螺杆、 负载的惯量，再把它们加在一起。
七、伺服选型
选型举例：步骤2
步骤2：计算负载转矩：我们使用下面的公式计算负载转矩。
七、伺服选型
选型举例：步骤3
步骤3：计算速度：为了计算电机的速度，我们使用下面的速度公式。
六、再生
时序
如果发生了A13和A16报警，我们需要改变再生电阻R1的阻值。我们需 要消耗更多的流过电阻的电流量，因为V=I*R，我们能够通过使用更小的阻 值来增大流过电阻R1的电流量。增大电阻功率并不是正确的解决问题的方法， 因为流过电阻R1的电流量还是一样的。 当改变了电阻之后，我们需要检查再生电路是否满足更小阻值的要求。 一旦减小了R1的阻值，就增大了流过它的电流，如果电流增加的太多，有可 能超过电阻的额定功率，仅仅此时需要增大电阻的功率。
*这说明我们需要一个电机，它的额定转速至少为1000r/min。
为这个应用，我们选择EMH型130法兰系列电机，其额定转速为2500r/min，这 个速度足够我们的应用。
七、伺服选型
选型举例：步骤4
步骤4：计算加速度：为了计算加速时间，我们必须首先参考速度曲线和考虑距 离S。
七、伺服选型
选型举例：步骤5
七、伺服选型
六、再生
再生是在电机减速过程中的一 种动作，此时电机等效为一个发电 机。再生吸收了旋转负载的动能， 并将它转化为电能，回馈到驱动器。
六、再生
再生的目的
再生有两个主要功能：1）消耗运动负载的惯性能量；2）快速地对主电
容（C1）放电。
当一套EDB伺服系统运行在额定转速并且带着允许的最大负载惯量， EDB伺服驱动器必须吸收停止负载时产生的全部能量而不损坏系统。如果系 统运行在超过额定转速或者带着超过允许的最大负载惯量，那么必须有外部 再生。 再生值依赖三个因素：转矩、减速度和运动周期。这个值通常在选型软 件中计算并且显示为电阻功率。然而，如果需要也可以手工计算。