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培训三欧姆龙伺服


失败的人找借口 成功的人找方法

交流伺服控制系统
David Jia 2013-7-16

目录
1 伺服系统简介 伺服系统组成 伺服执行元件—伺服电机 伺服测量反馈元件—编码器 伺服控制驱动—驱动器 伺服上位控制—PLC运动模块 伺服常见故障

2
3

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/>5

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8

伺服控制简介
用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下, 伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系 统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。伺服系 统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 伺服控制系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺 服系统。

? 提高机械的响应、速度和灵活性
? 提高生产过程的柔性,减小系统建立时间 ? 提高设备的生产率 ? 提高加工制造精度,减少废品 ? 零速时的满额扭矩输出 ? 超低速的平稳运行 ? 简化原有的机械系统,提高性能

交流伺服系统组成
输入指令 输出量

比较元件

调节元件

执行元件

被控对象

测量反馈元件
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差 信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。 控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变 换处理,以控制执行元件按要求动作。

比较环节 调节元件 执行元件 被控对象

是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。

被控对象,机械手、旋转盘、摇臂等。
检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传 感器和转换电路。例如编码器。

测量反馈

典型的伺服控制系统
运动 速度反馈 减速器 负载 工作台 编码器

电机电 源 丝杠

伺服 放大器 速度环
0 to ±10VDC

位置环

控制器

执行元件分类
电动机 电磁式 电磁铁及其他 直流伺服电机 步进电机 油缸 交流伺服电机

执 行 元 件

液压式 液压马达

其他电机

气缸 气压式 气压马达 形状记忆合金 其他 与材料有关 压电元件 双金属片

交流伺服电机结构及原理

定子
铁芯 绕组

转子
永磁体

编码器
光电或机械

2交流伺服电机原理
原理与两相交流异步电机相同,定子上装有两个绕组 — 励磁绕组和控制绕组。

控制绕组

内定子

励磁绕组
励磁绕组和控制绕组在空间相隔90?。

杯形转子

8

交流伺服电机转速控制方式

交流伺服电动机使用时,激磁绕组两端施加恒定的激磁电压,控制绕组两端 施加控制电压。当定子绕组加上电压后,伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场,旋转磁场的转 向决定了电机的转向,当任意一个绕组上所加的电压反相时,旋转磁场的方 向就发生改变,电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转 磁场,要求激磁电压和控制电压之间应有90度的相位差

幅值控制
相位控制 幅值-相位控制

控制电流与励磁电流相位差保持90°不变,改变控制电压的大 小 控制电压与励磁电压保持额定值不变,改变控制电压的相位

同时改变控制电压的相位及幅值,励磁电压保持不变

9

伺服电机常见故障及处理

选型故障 配线故障 编码器故障 联轴器故障 噪声干扰

选型错误,转矩小,安装固定方式错误

主动力线配线错误,UVW错相,或线路短路、断路

编码器烧坏、编码器接线松脱、断线或对地短路

安装不同轴造成电机偏心运行,键槽损坏,联轴器无法固定

现场干扰造成控制电压变动或编码器输出错误

编码器分类
编码器

模拟量编码器

数字量编码器

增量编码器

绝对值编码器

旋转变压器

Sin/Cos编 码器

A,A-,B,B,C,C-

格雷码

二进制码

?任何位置的改变提供相应的脉冲计数值(增量型) ?为每一位置提供一个特定的输出码 (绝对值型)

移动的距离? 脉冲的个数? 脉冲当量

做为伺服系统的速度及位置反馈元件

v?

转动一周产生的脉冲数 转动一周的时间

增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝

A
A C B C

B

光敏元件

盘码及 狭缝 零位标志

光电编码器的光栏板上有A组与B组 两组狭缝,彼此错开1/4节距,两组 狭缝相对应的光敏元件所产生的信 号A、 B彼此相差90?相位,用于辩 向。当编码正转时,A信号超前B信 号90?;当码盘反转时,B信号超前 A信号90?。

光电接收管 发光管 放大 整形 电路
转轴 光电接收管
A相 B相 Z相 公共端电源+

码盘

发光管

光电接收管

放大整形

绝对式光电式编码器
低位 高位

a)光电码盘的平面结构(8码道) b)光电码盘与光源、光敏元件的对应关系(4码道)

编码器安装方式

1.编码器的套式安装

2.编码器的轴式安装

编码器接线
增量型编码器 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 signal A AB BZ Z0V 24V 屏蔽 描述 A相正 A相负 B相正 B相负 Z相正 Z相负 0V 24V 屏蔽
编号 1 2

绝对值编码器
signal ABS0 ABS1 描述 码道0 码道1

3
4 5 6

ABS2
ABS3 ABS4 ABS5

码道2
码道3 码道4 码道5

7
8 10 11

ABS6
ABS7 ARST 0V

码道6
码道7 复位 0V

12
13

VCC
屏蔽

24V
屏蔽

编码器常见故障

检测出编码器短线
-编码器断线,修复断线部分 -连接器接触不良,检查接线端子或连接器 -编码器误配线,正确配线 -编码器破损,更换电机或编码器 -机械锁定,检查机械连接,查看编码器轴状态

编码器数据异常
1. 编码器信号线误配线,正确配线 2. 编码器线被干扰,对编码器线实施防干扰措施 3. 编码器电源电压降低,确保编码器电源电压

伺服驱动器结构-电源驱动

a.整流滤波电路,比如将220V交流弄成310V左右直流提供给IPM b.智能功率模块(IPM)内部是三相两电平桥电路。每相的上下开关管中间接输出U, V,W。通过6个开关管的开闭,控制UVW三相每个伺服瞬间,是与地连通还是与直流 高电压连通。 c.电流采样电路,可能是霍尔电流传感器,电路的输出将与控制系统的AD口相连。 d.编码器的外围电路,它的输出与DSP的事件管理器相连。

伺服驱动器结构-控制电路
再生制动 基极电路 电压检测 电流检测 实际编码器

模型位置控制

模型速度控制

假象 电机

编码器

实际位置控制

实际速度控制

电流控制

脉冲输入

外围接口通信电路

伺服驱动器结构-接口电路
控制输入输出通道
模拟量 数字量

接有伺服ON、报警复位、输入禁止、输入脉冲、报 警输出、编码器输出、制动、外围检测等数字信号。 速度控制模拟量输入(经AD转换进入控制电路)、 模拟量输出(经DA转换输出)、外部电源等。

通信连接 通信用于与PC连接、其他伺服驱动器连接。
RS232C RS422

编码器连接 接收编码器脉冲反馈信号,用于伺服闭环控制。
增量型 绝对值

动力连接
输入电源 输出动力

连接驱动器电源、输出动力给伺服电动机、接收外 部控制电源等

伺服驱动器三环
电流环 速度环
通过检测的电机编码器的 信号来进行负反馈PID调 节,它的环内PID输出直 接就是电流环的设定,所 以速度环控制时就包含速 度环和电流环,换句话即 任何模式都必须使用电流 环,电流环是控制的根本 ,在速度和位置控制的同 时系统实际也在进行电流 (转矩)的控制以达到对 速度和位置的相应控制。

位置环

此环完全在伺服驱动器 内部进行,通过霍尔装 置检测驱动器给电机的 各相的输出电流,负反 馈给电流的设定进行PID

它是最外环,可以在驱动
器和电机编码器间构建也 可以在外部控制器和电机 编码器或最终负载间构建,

要根据实际情况来定。由
于位置控制环内部输出就 是速度环的设定,位置控 制模式下系统进行了所有 3个环的运算 ,此时的系 统运算量最大,动态响应 速度也最慢。

调节,从而达到输出电
流尽量接近等于设定电 流,电流环就是控制电 机转矩的,所以在转矩

模式下驱动器的运算最
小,动态响应最快。

伺服驱动器结构-接口部分

各部分名称及功能
单元选择用旋转开关 控制电源LED 增益调整用旋转开关 功能设定开关 在线自动调整 主回路电源LED 报警显示LED 主回路电源输入端子 DC电抗器连接端子 通信用连接器CN3 监控输出用连接器CN4 控制输入输出连接器CN1

控制电源输入端子

外部再生电阻端子

马达动力端子 编码器输入连接器CN2 电源马达动力用FG端子

增益调整用旋转开关
可以调整马达响应性能: 当选择0时马达按内部参数设定运行; 当选择1-F时,按表格参数设定运行。

如果需要降低马达响应性能(马达平滑运 行),将开关设定在较小的数值。 如果需要降低马达响应性能(马达平滑运 行),将开关设定在较小的数值。

功能设定开关
Off功能设定开关有效 On参数设定开关有效
ON OFF

分辨率设定 6 5 4 3 2 1

脉冲指令设定

Off动态制动无效 On动态制动有效 Off终止在线调整 On执行在线调整

伺服系统的接线-主电路接线
MA EMG OFF ON
MC SC

MC P O W E R NFB MC

EMG SERVO ON

EMG SON SG

伺 服 放 大 器

VCC COM ALM MA

伺服系统的接线-电机接线

伺服系统的接线-接地

动 力 电 源

噪 声 抑 制 器

伺 服 驱 动 器

PLC

伺 服 电 机

电 缆 屏 蔽

保护接地

伺服系统的接线-控制接线

伺服系统的接线-控制信号布线
伺服中继单元侧 连接器 驱动器侧

符号
+24VIN 0GND -CCW/-SIGN/-FB +CW/+PULS/+FA -CW/-PULS/-FA

颜色
蓝/红(1) 蓝/黑(1) 粉/黑(1) 绿/红(1) 绿/黑(1)

+CCW/+SIGN/+FB 粉/红(1)

+Z -Z INP/TGON RUN ECRST/VSEL2 RESET BKIR /ALM 外壳

灰/红(1) 灰/黑(1) 蓝/红(2) 蓝/黑(2) 橙/黑(2) 粉/黑(2) 绿/红(2) 绿/黑(2) 外壳

GSEL/VZERO/TLSEL 粉/红(2)

NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

NO 符号 +24VIN 1 0GND 13 24 +CCW/+SIGN/+FB -CCW/-SIGN/-FB 25 +CW/+PULS/+FA 22 -CW/-PULS/-FA 23 NOT 7 ECRST/VSEL2 4 POT 8 +Z 19 -Z 20 INP/TGON 10 RUN 2 GESEL 6 5 GSEL/VZERO/TLSEL RESET 3 BKIR 11 /ALM 9
26
外壳

伺服系统的接线-R7D驱动器引脚说明
引脚
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

标记
+24VIN RUN RESET ECRST/VSEL2 GSEL/VZERO/TLSEL GESEL/VSEL1 NOT POT /ALM INP/TGON BKIR WARN

名称
控制直流电源输入 运转指令输入 报警复位

引脚
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

标记
GND +A

名称
共用地线

编码器A相输出 -A -B 编码器B相输出 +B -Z 编码器Z相输出 +Z Z +CW/PULS/FA -CW/PULS/FA +CCW/PULS/FA -CCW/PULS/FA Z相输出 反转脉冲/进给脉冲 /90°相位差信号A相 正转脉冲/方向信号 /90°相位差信号B相

偏差计数器复位、内部设 定速度选择2
增益切换/零速度指定/转 矩限制切换 电子齿轮切换/内部设定 速度选择1 输入反转侧驱动禁止 输入正转侧驱动禁止 报警输出 定位完成/电机转速检测 输出 制动器联锁输出 警告输出

伺服系统的接线-中继器

PLC NC模块

中继器

伺服驱动器

开关、传感器、电源

脉冲输入/模拟量输入

差动输入方式200KHz

集电极开路输入500KHz

模拟量输入
主要功能:速度调节、转 矩调节、速度限制、转矩 限制

开关量输入接线

数字输出接线

伺服系统接线图

伺服上位控制-NC模块
编号 1 参数 加减速时间 说明 启动加减速所需时间

2
3 4 5 6

运行及最大速度
输出量 输入信号类型 原点搜索方向 原点搜索速度

设定运行及最大速度
模拟量电压电流、脉冲输出 NO/NC 定义执行原点搜索时电机方向 执行原点搜索时速度

7
8 9 10 名称 RUN

原点接近速度
软件限速 初始化速度 监控时间 颜色 绿色 红色 红色 状态 点亮 未点亮 点亮 未点亮

原点搜索接近速度
软件设定限速 初始化时设定速度 软件设定完成速度调整时间 解释 正常操作过程点亮 硬件或PLC故障 有故障产生 无故障产生

自带微处理器,用来 控制物体的位置、速度和 加速度,可以控制直线运 动或旋转运动,也可以控 制单轴或多轴运动

ERC ERH

点亮
未点亮 点亮 闪烁 未点亮

CPU单元有故障产生
CPU单元无故障产生 正在向X轴输出脉冲 错误,例如对X轴的电缆类型或数据 以上均未产生

X

橙色

伺服上位控制-NC数据分类
数据名称
公共参数区域

内容
这个区域包含设置与基本PCU操作有关的 参数内容,例如操作存储区域的分配。当 使用PCU时必须设置公共参数

设置区域
CPU 单 元 中 分 配 给 特 殊 IO 单 元 的 数 据 存储器区域字

激活时序
上电或重新启动,启动的 时 候 从 CPU 单 元 中 将 设 置传送到PCU中 上电或重新启动,启动时 有 三 项 设 置 从 CPU 或 PCU 快 闪 存 储 器 传 送 到 PCU得内存存储器中 在 每 个 IO 刷 新 的 时 候 , 运 行 命 令 从 CPU 单 元 中 传 送 到 PCU 中 , 状 态 数 据 从 PCU 传 送 到 CPU 单 元中 在 每 个 IO 刷 新 的 时 候 数 据更新。设置数据被启动 且在每个运行的启动时使 用 上电或重新启动,设置数 据被启动且在每个运行的 启动时使用 上电或重新启动更新,设 置数据被

轴参数区域

CPU 单 元 中 分 配 给 这个区域包含设置与轴操作有关的参数的 特 殊 IO 单 元 的 数 据 内容。例如脉冲输出类型、输入信号逻辑、 存储器区域字 操作模式和最高速度值 PCU的快闪存储器 输出控制PCU的操作,例如直接操作、存 储器操作、点动以及原点搜索的内容。与 PCU状态有关的信息,例如忙标记以及外 部输入被输入到这个区域中 设置例如直接运行、原点搜索及点动的位 置、速度以及加减速时间、存储器操作的 位置号。同时包含PCU状态数据,例如目 前位置和那些目前执行的位置序列号 与存储器操作有关的设置,例如操作、位 置、速度以及加减速时间 确定有PCU控制轴的当前位置的区域 CPU 单 元 的 特 殊 IO 单元区域

操作存储器区域

操作数据区域

CPU 单 元 的 数 据 存 储 器 或 者 EM 区 域 (由公共参数设置 决定) PCU的内部存储器

存储器操作数据

区域数据

PCU的内部存储器

NC模块公共参数设置
操作数据区域定义 操作数据区域开始字 轴参数定义

定义操作数据被设置的存储 器区域。从以下所示中选择 一项。 0000: 分配给特殊I/O 单元 的数据区域字(固定) 000D: 用户定义的数据存储 器区域字 0X0E: 用户定义的EM 区域 字

定义用作轴参数的数据的位 置。从以下所示中选择一项。 00-07:参数标识00: PCU 将会根据保存在PCU 的快 闪存储器中的轴参数操作。 定义操作数据区域的开始字。 01: PCU将会根据在分配给 如果000D(用户定义的数 特殊I/O单元(m+4 以上) 据区域字)或者0XOE(用 的数据存储器区域字设置的 户定义的EM 区域字)设置 轴参数操作。 为操作数据区域标识,以十 08-15:轴标识0: 使用分配 六进制的形式定义分配作为 给特殊I/O 单元的数据存储 操作数据区域的开始字。 器区域中的轴参数设置。1: 使用缺省轴参数设置。不使 用分配给特殊I/O 单元的数 据存储器区域中的轴参数设 置。

欧姆龙NC模块参数表

NC模块故障处理
名称 模式
NC4□ 3 NC4□ 3 NC4□ 3 NC4□ 3 NC4□ 3 NC4□ 3

操作存储区 X轴
n+8 n+4 n+2

Y轴
n+11 n+7

Z轴
n+14

U轴
n+17



内容

错误标志

12

1:错误发生 0:没有错误

错误代码

n+10 n+6 n+4

n+13 n+9

n+16

n+19 00to15

错误代码 0000正常

6000 6100 6101

接收到紧急停止信号

接收到顺时针限位输入信号
接收到逆时针限位输入信号

伺服系统故障排除
电源LED是否正常?闪 亮?红色?橙色?

是否有报警及报警代码?

电源电压是否发生变化, 所连接的电压等级是否 正确,连接有无松动

上级位置控制器是否工 作正常?有无报警?输 出正常? 连接到上位机控制信号 是否正常?配线及连接 是否正常?中继器是否 正常? 编码器连接是否正常? 配线是否正确?编码器 内部是否短线或缺线?

电磁制动是否正常工作, 再生能量设定、再生电 阻是否正常?

电机

机械

连接部有没有松动?

连接部是否发生脱 落?配线是否正确?

电机是否有异响? 电机轴是否断裂?

伺服驱动器常见故障-电压

欠电压
? 电源电压较低,检查供电电源 ? 发生瞬间停电,检查电源 ? 电源容量不足,变更电源 ? 缺相,正确连接各相并检查 ? 主电路电源部损坏更换驱动器 ? 未接通主电源,接通主电源

过电压
接通电源时发生
超过主电路电源电压范围,改 变主电源或降低 电压

减速时发生
1、负载惯量较大。计算再生 能源,连接外部再生电阻 2、延长减速时间

下降时发生
1、重力转矩过大,向设备添 加平衡装置 2、减少下降速度 3、增加再生电阻

伺服驱动器常见故障-过电流

控制板异常,更换驱动器

制动器用继电器融敷 检查更换

电机相间短路或接地 测量电机相间电阻

电机不一致 确认电机与驱动器一致性

UVW三相错误配线 检查正确配线

脉冲输入定时过快 在RUN后等待100ms再输入脉冲

电机线圈烧毁 测量线圈电阻,不良更换电机

内部电阻器异常 降低环境温度,更换驱动器

伺服驱动器常见故障-过载

过载
? 电机配线不良、连接不良 ? 电磁制动器未正常释放 ? 驱动器发生故障 ? 增益调整不良造成异常振动 ? 实际转矩超过额定转矩 ? 机械不良,卡住或润滑不良

再生过载
电机减速时发生
负载惯量大,计算再生能量, 连接再生电阻 减速时间较短,增加减速时间 电机旋转速度过快,降低电机 旋转速度 再生电阻器设定不当,调整再 生电阻设定参数

下降时发生
1、重力转矩过大,向设备添 加平衡装置 2、减少下降速度 3、增加再生电阻,调整设定 参数

失败的人找借口 成功的人找方法


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