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交流电动机调速原理及调速特性-指导书(201105修改-08级)(1)


机械工程基础实验

交流电动机调速原理及调节特性

实验指导书
(08 级)

重庆理工大学 重庆汽车学院 实践教学及技能培训中心 2011 年 4 月

学生实验守则
1.学生应按照实验教学计划和约定的时间,准时上实验课,不得迟到早退。 2.实验前认真阅读实验指导书,明确实验目

的、步骤、原理,预习有关的 理论知识,并接受实验教师的提问和检查。 3.进入实验室必须遵守实验室的规章制度。不得高声喧哗和打闹,不准抽 烟、随地吐痰和乱丢杂物。 4.做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程,爱护仪器设备,服从实验 教师和技术人员指导。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。 5.实验中要细心观察,认真记录各种试验数据。不准敷衍,不准抄袭别组 数据,不得擅自离开操作岗位。 6.实验时必须注意安全,防止人身和设备事故的发生。若出现事故,应立 即切断电源,及时向指导教师报告,并保护现场,不得自行处理。 7.实验完毕,应主动清理实验现场。经指导教师检查仪器设备、工具、材 料和实验记录后方可离开。 8.实验后要认真完成实验报告,包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图 表。在规定时间内交指导教师批改。 9.在实验过程中,由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者,应写出损 坏情况报告,并接受检查,由领导根据情况进行处理。 10.凡违反操作规程,擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而 造成事故和损失的,肇事者必须写出书面检查,视情节轻重和认识程度,按学院 有关规定予以赔偿。

重庆理工大学





1. 同学可以登录学校的“实验选课系统” (从学校首页登陆:dgdz.cqut.edu.cn 或从数字校园登录) ,自己进行实验项目的选择。希望同学们能在每个实验项 目开放的时间内尽早进行实验预约(预约时间必须比实验上课时间提前 3 天) ,因为学生数量比较多,如果某实验项目开放的时间内同学未能进行实验 预约,则错过该实验项目的实验机会,补做就要在该实验项目下一次开放时 进行。 2. 在学期末因无法完成规定的实验项目个数,该门课程就必须重修。 3. 如有什么问题,同学可以拨打电话 62563127 联系李鑫老师。

交流电动机调速原理及调节特性
一、实验目的
1、掌握伺服电动机控制方式,伺服电机速度环的控制原理及方法。 2、了解交流变频调速系统的组成。 3、通过实验理解交流电动机的速度调节特性;掌握交流电动机的调速方法。

二、实验设备
EM400 交流伺服系统及其配套仪器、仪表

三、实验相关知识
本实验使用的交流伺服电机详细使用指南,请上校园网下载。 本实验使用的交流伺服电机详细使用指南,请上校园网下载。 下载地址“校园网—〉机械工程实验教学中心—〉教学资源—〉实验教学资料下载” 下载地址“校园网— 机械工程实验教学中心— 教学资源— 实验教学资料下载”

内容一:交流伺服控制原理 内容一: 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:

图 2-1 松下交流伺服控制原理

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。松下伺服驱动器正是采用了这种 算法,详见驱动器的说明书。 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。
i u = I M sin θ

iv = I M sin(θ + 120 ° ) i w = I M sin(θ + 240 ° )

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。 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。 内容二:松下伺服驱动器接线说明 内容二:松下伺服驱动器接线说明 1、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 (见附录 1) 。 2、在以下接线图中应该注意几点: 1)千万不可将电源输入线(L1、 L3)接至驱动器输出到电动机的动力线(U、 L2、 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; 2)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(L1、L3)。 3)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。

图 2-2 松下伺服驱动器接线

3、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。 4、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)。 内容三: 内容三:松下伺服驱动器操作说明 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: ①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。 ②参数设定模式(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。 ③参数写入模式(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。 ④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。 ⑤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。

四、注意事项
1、服从教师的安排、实验时注意安全; 2、详细阅读伺服驱动器操作说明; 3、熟悉松下交流伺服以及 PMAC 卡的相关参数设定; 4、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; 5、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。

五、实验内容与步骤
内容一: 内容一:交流伺服电动机及驱动器的规格参数 1、查看电动机及驱动器的铭牌,记录相关参数。 2、分别画出交流伺服电动机在进行位置(脉冲加方向方式) 、速度、转矩控 制时,驱动器与控制器的连接图(CN I/F 的有关接线) ,对照图 2-1(原理框图) , 说明速度环的信号传递过程。 内容二: 内容二:交流伺服电动机驱动器的基本操作 1、打开机箱盖,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 X 轴(或 Y 轴)驱动器,对其进行操作。 3、 首先观察并记录一些重要参数的值:驱动器当前控制方式(02 号参数) 、 驱动器速度选择设定(05 号参数) 、第一速度环增益(11 号参数) 、第一速度环 积分时间常数(12 号参数) 、速度前馈(15 号参数) 、JOG 速度设定(57 号参数), 查看上述参数,了解这些参数在实际工程中的意义,并作记录。 查看参数的操作如下: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,再按 SET 键返回上一级。 参数号 参数值 内容三: 内容三:交流伺服电动机驱动器的速度调节 执行驱动器的“JOG”操作:重新开机,按 SET 键进入监视模式,按 MODE 键切换到辅助模式(缺省 af_of5)。 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。 ∧、 键使电动机正转或反转, 按∧ ∨ 并使用测速计测量电机轴转速,并做记录。 某个轴的驱动器进入“JOG”服务项目后,只能用该轴驱动器的∧ 注:某个轴的驱动器进入“JOG”服务项目后,只能用该轴驱动器的∧、 02 05 11 12 15 57

键使电动机正转或反转。EM控制面板上对该轴进行正、反转控制的“ ∨键使电动机正转或反转。EM-400 控制面板上对该轴进行正、反转控制的“J 、 +”“J-”按钮操作无效,对其他轴的操作仍有效。 按钮操作无效,对其他轴的操作仍有效。 执行完以上操作后, 改变 JOG 速度设定参数(57 号参数), 再重新执行 JOG 操作,观察速度的变化,并做记录。 57 号参数值 转速(单位:)

4、 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。 内容四:交流伺服电动机驱动器速度环调整: 内容四:交流伺服电动机驱动器速度环调整: 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、 号参数并做记录。 20 参数号 参数值 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“三、实验相关知识—》内容三:松下伺服驱动器操作说明 “ 内容三: 实验相关知识 内容三 松下伺服驱动器操作说明—》④自 ④ 动增益调整模式( at_nol,低刚性) 动增益调整模式(缺省 at_nol,低刚性)”的相关内容,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)。可选择:no2、no4、no6、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、20 号参数),了解这些参数在实际工程中的意义,并做记录。 参数号 no2 no4 no6 no8 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。 11 12 13 14 20 11 12 13 14 20

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。 10、完成实验后,将机箱盖盖好并关机。

六、实验报告要求
1、整理 PID 相关参数值的记录,并写出其所表达的意义。 2、比较自动增益调整前后相关参数的值,叙述意义。 4、根据以上实验结果,填写实验报告中相应表格,并完成思考题。

七、思考题
1、说明(02 号参数)(05 号参数)(11 号参数)(12 号参数)(15 号参 、 、 、 、 数)的实际工程意义。 2、松下伺服驱动器的操作模式都有哪几种? 3、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? 4、简述速度环手动调整过程。 5、简述交流伺服电动机的调速原理,在本实验中,速度与哪个参数有关? 根据实验数据说明速度与该参数值的关系?

附录 1 位置控制用的 CN I/F 接线

速度控制用的 CN I/F 接线

转矩控制用的 CN I/F 接线


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