交流伺服进阶课程 —MR-J3-A系列伺服放大器

主要内容 伺服放大器基本原理（主回路和控制回路） 伺服的作用 三菱伺服介绍（ 包括产品分类及软件的使用 ） AC 伺服在传送带上的应用————速度控制 AC 伺服在收放卷设备上的应用——转矩控制 AC伺服在机床设备上的应用————位置控制 伺服产品的安装维护及相关报警 绝对位置控制系统原理简介

1.1 AC伺服原理 构成伺服机构的元件叫伺服元件。由驱动放大器（AC放大器），驱动电机（AC伺服驱动电机）和检测器组成。

1.2.1 伺服放大器主回路

将交流转变成直流，可分为单相和三相整流桥。 1.2.1 伺服放大器主回路 a 整流回路： 将交流转变成直流，可分为单相和三相整流桥。 平滑电容：对整流电源进行平滑，减少其脉动成分。 c再生制动： 所谓再生制动就是指马达的实际转速高于指令速度时， 产生能量回馈的现象。 再生制动回路就是用来消耗这些回馈能源的装置。

1.2.1 伺服放大器主回路 按照再生制动回路的种类，可以分为： （1）小容量（0.4kw以下）————————电容再生方式 1.2.1 伺服放大器主回路 按照再生制动回路的种类，可以分为： （1）小容量（0.4kw以下）————————电容再生方式 （2) 中容量（0.4kw至11kw）———————电阻再生制动方式 其中又可分为：内置电阻方式 外接电阻方式 外接制动单元方式 （3）大容量（11kw以上）————————电源再生方式 d 逆变回路： 生成适合马达转速的频率、适合负载转矩大小的电流，驱动马达。 逆变模块采用IGBT开关元件。 e 动态制动器： 具有在基极断路时，在伺服马达端子间加上适当的电阻器进行短路消耗旋转能，使之迅速停转的功能。

转矩特性 1.2.2 伺服电机 三菱伺服电机属于永磁同步电机。 伺服电机的输出转矩与电流成正比 其从低速到高速都可以以恒定转矩运转 1.2.2 伺服电机 转矩特性 三菱伺服电机属于永磁同步电机。 伺服电机的输出转矩与电流成正比 其从低速到高速都可以以恒定转矩运转 思考：伺服电机与普通三相异步电机的区别？ 瞬时运转区域 连续运转区域

1.2.2 伺服电机 编码器种类和结构

1.3.1 伺服放大器控制回路 伺服控制回路 电流环 位置环 速度环

1.3.1 伺服放大器控制回路 位置控制处理流程 ①偏差计数器成为+1 ②转变为1个脉冲对应的电压进入放大器 1.3.1 伺服放大器控制回路 位置控制处理流程 假设脉冲指令为1个脉冲，输入时动作为： ①偏差计数器成为+1 ②转变为1个脉冲对应的电压进入放大器 ③放大器产生SPWM波驱动马达旋转 ④编码器也相应旋转，发出1脉冲的震荡 ⑤1脉冲的震荡再次输入到偏差计数 器 中，从原来的指令+1减去1脉冲的震 荡，计数器值成为0 ⑥结果使DA转换输出0V到放大器， 放大器使马达停止 ⑦完成1脉冲的定位

1.3.1 伺服放大器控制回路 速度控制处理流程 ① 模拟量形式的速度指令进入速度 运算器，使电机开始运行 1.3.1 伺服放大器控制回路 速度控制处理流程 ① 模拟量形式的速度指令进入速度 运算器，使电机开始运行 ② 电机运行后使用编码器旋转，发出 脉冲反馈 ③ 脉冲反馈经过FV转化为相应的模拟 量进入伺服驱动器 ④ 反馈值与给定值相比较，如果有偏 差通过电流环输出控制电流使用其 差值改为零

1.3.1 伺服放大器控制回路 伺服放大器三种控制方式 1 转矩控制： 通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机 1.3.1 伺服放大器控制回路 伺服放大器三种控制方式 1 转矩控制： 通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机 轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转 矩的场合。 ——电流环控制 2 速度控制： 通过模拟量的输入或脉冲的频率对转动速度的控制。 ——速度环控制 3 位置控制： 伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入 的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来 确定转动的角度,所以一般应用于定位装置 。 ——三环控制 思考：三环中哪个环的响应性最快？

1.3.1 伺服放大器控制回路 变频器与伺服放大器在主回路与控制回路上的区别： 由变频器变更为伺服时，需考虑： （1） 机械的刚性 1.3.1 伺服放大器控制回路 变频器与伺服放大器在主回路与控制回路上的区别： 由变频器变更为伺服时，需考虑： （1） 机械的刚性 （2）换算到电机轴的负载惯量 （3）电机轴的振动 （4）减速机构的打滑

2.2 伺服的作用 按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 伺服电机锁定功能 2.2 伺服的作用 按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。 伺服电机锁定功能 当偏差计数器的输出为零时，如果有外力使伺服电机转动，由编码器将反馈脉冲输入偏差计数器，偏差计数器发出速度指令，旋转修正电机使之停止在滞留脉冲为零的位置上，该停留于固定位置的功能，称为伺服锁定。 进行适合机械负荷的位置环路增益和速度环路增益调整。

3.1 三菱伺服产品介绍 MR-J3交流伺服系统 丰富的产品线

MR-J3系列放大器型号构成 MR-J3-□□□-□ 3.1 三菱伺服产品介绍 RJ004 兼容直线伺服电机 3.1 三菱伺服产品介绍 MR-J3系列放大器型号构成 MR-J3-□□□-□ 无 单相/3相200-230VAC 1 单相100-120VAC 4 三相400VAC A 通用脉冲串接口 B 兼容SSCNET III，高速串行总线 T CC LINK连接内置定位控制 放大器容量（如10为100w） RJ004 兼容直线伺服电机 RJ006 兼容全闭环系统

H□-□P □□□□□ 3.1 三菱伺服产品介绍 无 标准轴 无 无电磁制动 额定输出容量（kw） MR-J3系列伺服电机型号构成 3.1 三菱伺服产品介绍 MR-J3系列伺服电机型号构成 H□-□P □□□□□ HC-MP 超低惯量，小容量 HC-KP 低惯量，小容量 HC-SP 中惯量，中容量 HC-RP 超低惯量，中容量 HC-LP 低惯量，中大容量 HC-UP 扁平型，中容量 额定输出容量（kw） 电机额定转速（r/min） 无 无电磁制动 B 电磁制动 无 无油封 J 油封 无 标准轴 K 带键槽 D 带D型槽

3.2 选件 其他选件： 线缆，接头，再生制动选件，电池单元，功率改善电抗器， EMC滤波器，抗干扰产品。

伺服放大器各部分构造

伺服放大器输入电源电路

显示和操作

实验 试运行——点动 通过试运行模式中的点动运行确认电机是否可以正常动作 操作方法： 按住up和down键可使伺服电机旋转 松开，电机停止。 通过伺服设置软件可以修改转速和加减速时间常数。

3.3 伺服设置软件介绍 软件系统 设置 选型 编程

设置软件 MR-Configurator setup221E 3.3 伺服设置软件介绍 设置软件 MR-Configurator setup221E 通讯连接 ＳＳＣＮＥＴⅢ ＵＳＢ1.1 通用接口 MR-J3-A 和 B系列 更快的响应速度 实时数据采集提高了20倍以上 与运动控制器的连接 MR-J3-B 只需一根线就可以连接所有伺服 USB mini-B B

3.3 伺服设置软件介绍 相关操作： 通讯设置 读写保存参数 报警监控 状态监控 趋势图采集

机械分析器Ⅱ Ｊ２－Ｓｕｐｅｒ Ｊ３ 3.3 伺服设置软件介绍 ・频率范围 ・・・ 10HZ～1KHz → 3HZ～4.5KHz 更精确的机械性能 ・频率范围 ・・・ 10HZ～1KHz → 3HZ～4.5KHz ・检测能力得到很大提高 Ｊ２－Ｓｕｐｅｒ 　　　 Ｊ３

趋势图功能 3.3 伺服设置软件介绍 历史查看功能 ３通道 示波器 （历史数据重写功能） 同时监控指令/滞留脉冲/力矩 曲线图 　趋势图功能 ３通道 示波器 历史查看功能 （历史数据重写功能） 同时监控指令/滞留脉冲/力矩 曲线图 整定/机械特性确认 采集数据 : 0.4ms x 30000点=12sec (J2S : 0.8ms x 1024点)

3.3 伺服设置软件介绍 速度 – 力矩 曲线监控功能 速度 / 力矩曲线数据监控 在操作模式中可以确认力矩余量 实际运行曲线 短時間運転領域 連続運転領域

3.4 容量选型软件介绍 选型软件MOTSZ111E

3.4 容量选型软件介绍 机械设备传动结构选择 放大器系列选择 伺服电机系列选择 连轴器与减速机构选择 运行曲线 机械参数 选型结果 显示计算结果曲线 显示计算过程

3.4 容量选型软件介绍 机械构成图 机械参数 如选用MR-J3系列伺服，电机容量应选择多少？ 工作台质量 WT 200 Kg 负载重量 WL 50 负载推力 Fc 0.01 N 减速比 1/n 1 负载惯量 JL 10.47 kg·c㎡ 丝杠导程 PB 10 mm 丝杠直径 DB 20 丝杠长度 LB 1500 最大运行速度 V0 20000 mm/min 定位长度/回 L 400 加减速时间 ta 0.157 s 定位完成时间 t0 1.5 一次循环时间 tf 2.3 如选用MR-J3系列伺服，电机容量应选择多少？

4.1 AC伺服在传送带上的应用 控制方式：速度控制模式 控制特点：让电机以参数中或者外部模拟量速度指令设定的转动速 度高精度地平稳的运行。 精细 速度范围宽 速度波动小

4.1 AC伺服在传送带上的应用

4.3 速度控制使用时的接线

4.4 实验一: 多段速 相关参数：PA01 控制模式（必需设定） PC01 加速时间常数（根据需要设定） PC03 S型加减速时间常数（根据需要设定） PC05~PC11 内部速度指令，设定内部7段速（必须设定） PC37 模拟量速度指令偏置 PC12 模拟速度指令最大转动速度 加速时间 1s 减速时间 0s 第一段速度 500r/min 第二段速度 800r/min 第三段速度 1200r/min 问题： 1. 使用软件的趋势图功能监控速度与转矩曲线 2.外部模拟量和多段速同时有效时，哪个优先? 3.如果需要设置三段以上的速度，如何定义SP3端子？ 4. 外部电压0v输入时，监测仍存在50mv的电压， 应如何设置参数使电机保持停止？ 5. 要求10v电压对应电机转速为2000r/min，参数如何设置？ 多段速端子与速度关系表

4.4 实验二: 速度模式下的转矩限制 作用：限制电机在运转时的最大转矩 方法一：内部参数设定 相关参数： PA11——正转转矩限制， 设定最大转矩限制=100% PA12——反转转矩限制， 方法二：外部模拟量给定 问题：1.通过趋势图功能监控对输出转矩进行限制后 转矩速度曲线的变化？ 2.当外部模拟量转矩限制和PA11/PA12 都有给定时，哪种方式有效？

稳定传送材料，防止变形，确保尺寸精度等 5.1 AC 伺服在收放卷设备上的应用 收放卷中张力控制的目的： 张力控制基本结构： 进给机构：将长尺寸的材料从左向右传送 放卷机构：为了保持一定的张力，需要随着 卷径的减少相应的减少制动扭矩 收卷机构：为了保持一定的张力，需要随着 卷径的增加相应的增加制动扭矩 F=T/R 其中F为张力，T为电机输出扭矩 R为卷径。

符号说明：T：转矩 K1 ：常数 ￠：磁通 Ia：电流 张力控制时，电机扭矩的选定是根据连续运转扭矩，而非短时间最大扭矩。 5.1 AC 伺服在收放卷设备上的应用 伺服系统张力控制原理： 张力控制即转矩控制，当电机的输出转矩和负荷取得平衡时，电机转速为平衡 速度。因此转矩控制时的速度由负荷决定。如电机的输出转矩比电机负荷大， 电机将会加速。为了防止出现过速度，应设置速度限制值。 伺服系统中转矩控制主要由电流控制环完成。 产生转矩T为 T=K1*￠* Ia 符号说明：T：转矩 K1 ：常数 ￠：磁通 Ia：电流 伺服系统在张力控制中的应用： 张力控制时，电机扭矩的选定是根据连续运转扭矩，而非短时间最大扭矩。 在收卷和放卷中，最大卷径时需要较大扭矩，而在最小卷径时则高速旋转，所以卷轴比（最大/最小卷径的比率）变大时，需要相应大功率的电机。

5.2 AC 伺服的选型 注： 扭矩及转速的允许使用范围因各机种而 不同，一般按照最低扭矩为额定扭矩1% 以上，最低转速为额定转速1/100以上 选取

5.3 使用时的接线

要求： 5.41 实验一：缺省参数下转矩模式实验 电机输出扭矩为0.032N·M，使用外部模拟量控制电机输出转矩，并监控电机 当前转矩和速度曲线 。 电压与转矩关系图如下 正转启动RS1和反转启动RS2决定的 转矩输出与方向关系如下： 相关参数： PA01： 控制模式 PC01： 加速时间常数 PC02： 减速时间常数

5.42 实验二：转矩模式下速度限制的应用 第一种方式： 内部速度指令进行速度限制 相关参数：PC05（内部速度1），PC06（内部速度2），PC07（内部速度3） 观察并记录SP1和SP2的不同通断下组合下电机的转速。 第二种方式： 外部模拟量进行速度限制 第一段速度 800r/min 第二段速度 1200r/min 第三段速度 1600r/min

5.43 实验三：转矩指令偏置和增益设置实验 增益调整：模拟转矩指令最大输出 相关参数：PC13（TLC） 要求模拟量信号8v对应为最大输出转矩的50%时，应如何设定参数？ 偏置调整： 相关指令：PC38（TPO）模拟转矩指令偏置 如TC上施加0v电压的状态下，有0.03v的电压，PC38的值应设置为正值还是 负值，设为多少？

6.1 AC 伺服在机床设备上的应用 系统组成： 伺服驱动器，伺服驱动装置（伺服电机），位置检测装置（编码器），机械传动 机构，以及执行部件等。 工作过程： 位置控制 控制器 伺服 驱动器 伺服马 达 编码器 控制特点： 调速范围宽，精度高，稳定性好，动态响应快，能频繁启停和正反运行。

6.2 AC伺服选型 选型条件： 伺服电机在选型时需满足以下： 电机最大转速〉系统所需之最高移动转速 电机的转子惯量与负载惯量相匹配 电机的额定扭力》连续负载工作扭力 电机最大输出扭力〉系统所需最大扭力（指加速时扭力） 选型所需计算数据 惯量匹配计算（JL/JM） 运行速度计算 电机转速N=fp*（CMX/CDV）*60/Pt 其中fp为指令脉冲频率，CMX/CDV为电子齿轮比，Pt为编码器分辨率 负载扭矩计算

6.3 使用时的接线 输入输出接线

6.3 使用时的接线 输入脉冲串选择（参数PA13） 三种输入波形： 正反转脉冲串 脉冲串+符号 A/B相脉冲 连接： 集电极开路方式 差动驱动方式

6.4.2 电子齿轮比的概念 齿轮比： 两个直径不同的齿轮结合在一起转动，直径大的齿轮转速自然会比直径小的齿轮转慢一些，它们的转速比例和齿轮直径大小成反比，这个比例称为齿轮比。 电子齿轮比的作用也是用于对指令脉冲的指令调节，实现机械可以以任意倍率的输入脉冲进行移动。

6.42 电子齿轮比的概念 电子齿轮比与指令脉冲的关系 Pc1=Pc*(CMX/CDV) 电子齿轮比与脉冲频率的关系 fc1=fc*( CMX/CDV) 电子齿轮比的设定和机械系统的关系 △lo=Pb/Pfo 又因为Pc0*（CMX/CDV）=Pf0 △lc =Pb/Pc0=Pb/Pf0* (CMX/CDV)=△lo* （CMX/CDV） 即△lc = △lo* （CMX/CDV） 马达速度与电子齿轮比的关系 CMX/CDV=fc1/fc=Pf0*N/fc*60 其中： Pc：指令脉冲数（pulse） fc：指令脉冲频率（pps） Pc1：偏差计数器输入脉冲数 （pulse） fc1：偏差计数器输入指令脉冲频率 Pf：反馈脉冲数（pulse） △lo：每个反馈脉冲的机械移动量（mm/pulse） Pf0：马达每转的反馈脉冲数（pulse/rev） △lc：每个指令脉冲的机械位移量（mm/pulse） Pc0：马达每转的输入脉冲数（pulse/rev） CMX：指令脉冲倍率分子 CDV：指令脉冲倍率分母

6.42 电子齿轮比的概念 练习1： 已知伺服电机的编码器分辨率是131072p/r，额定转速为3000r/min，上位机 发送脉冲最大输出频率为200khz，要求达到额定转速，那么电子齿轮比应设为多 少？ 练习2： 已知伺服电机编码器分辨率为262144p/r，滚珠丝杆的进给量为8mm （1）计算反馈脉冲当量△l0=？ （2）要求指令脉冲当量为2um/p,电子齿轮比应设为多少？ （3）要求电机的转速为3000r/min，指令脉冲频率应设为多少？是否适用于 FX2N-10GM的定位模块（其最大脉冲输出频率为200khz）

6.43 原点回归 使定位指令装置的指令坐标与机械坐标一致的必须操作之一 增量型系统和绝对型系统原点回归的不同： 增量型系统：在电源关闭时不保持当前位置，因而每次电源接通时必须进行 原点回归。 绝对型系统：在安装时若进行过原点回归，即使关闭电源也可保持当前位置 在瞬停，报警，电源关闭之后的电源接通时，则不需要进行原 点回归。 绝对型定位指令和增量型定位指令 绝对型指令：由以原点为基准的当前停止地址开始 移动方向，取决于当前停止地址与指定地址 增量型指令：由当前停止位置地址为基准 移动方向取决于移动量的符号（+/-符号）

6.43 原点回归 原点回归方法 典型的近点档快式原点回归：

6.44 位置/速度模式切换 使用控制切换（LOP）进行位置模式和速度模式的切换 LOP和控制模式的关系如下： 切换要求：零速度下进行切换 注：比零速度高的速度下进行切换 即使之后速度降为零了，也不能 进行控制模式的切换。

7.11 从安装到运转的作业流程

7.12 伺服放大器及电机安装 放大器的安装 安装一台时 安装两台以上时 安装一台时 安装两台以上时 注：3.5kw以下的放大器可以密集安装，5kw以上的放大器不可以紧凑安装 环境温度0-45度，实际负载率在75%下使用。 电机的安装 应避免安装在振动较大的地方，避免对电机轴进行敲击，以免造成编码器故障

7.2 常见错误和报警 位置控制模式下 产生位置偏差的检测方法 当Q≠P或者P* CMX/CDV≠C时，可能的原因有哪些？ 产生位置偏差时，需检查图中的 （a）输出脉冲计数器 Q （b）指令脉冲累积 P （c）反馈脉冲累积 C （d）机械停止位置 M 当Q≠P或者P* CMX/CDV≠C时，可能的原因有哪些？

7.2 常见错误和报警 速度/转矩控制模式下 正转启动或反转启动信号置on后，电机不旋转 可能的原因如下：模拟量速度/转矩指令为0v LSP/LSN信号为OFF 内部速度指令参数设置为0 正转/反转转矩限制大大低于负载 水平或为0

7.3 惯量对于伺服调试的影响 牛顿第二定律： T=J*θ 其中T为进给系统所需力矩，J为系统传动惯量，θ为角加速度。 而 J=JM+JL JL/JM为负载惯量比。一般负载惯量建议应小于电机惯量的15倍。 转动惯量对伺服系统的影响 惯量比越小，系统地动态响应性越好 惯量比越大，电机的负载也越大，越难控制，容易产生谐振。

7.4 伺服产品的维护 检修项目 电机是否按规定规格运转 场所环境有无异常 冷却系统有无异常 有无异常振动和声音 螺栓的夹紧情况 导体绝缘体有无腐蚀和破损 元器件更换及寿命 平滑电容器：取决于周围温度和使用条件，大致为10年 继电器：累积开关寿命为10万次 电机轴承：2-3万小时（在额定转速，额定负载下运转） 冷却风扇：2-3年 注：伺服放大器及电机的硬件维修工作由三菱公司及指定代理实施，请勿私自拆 解维修

8.1 绝对位置系统原理 特点 限制事项： 以下条件下无法构建绝对位置系统： 速度/转矩控制模式 切换控制模式 无限长等无行程坐标系统 原点回归后需要改变电子齿轮比 使用报警代码输出

8.2 绝对位置系统 标准接线

8.3 绝对位置传输协议 电源接通时，每当伺服开启（son） 信号置on时，PLC就会读取伺服放大器 内部的当前位置数据。

样机端子排列图

相关接线图

谢谢！