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  • 驱动器的“安全转矩关断(Safe Torque Off,STO)”
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    2019-10-07 20:34:07

    变频器和伺服驱动器的STO功能是用来断开输出转矩的,例如机器或人身安全在受到威胁时拍下急停按钮后变频器断电可以让机器停止,转矩停止输出,从而防止机器的意外动作,但是变频器断电重启需要时间,特别是大功率变频器,通断电一次时间很长,对生产效率影响较大。而STO功能可以让变频器在不断电的情况下关断转矩输出,避免变频器通断从而使急停报警快速复位。

    转载于:https://www.cnblogs.com/jndx-ShawnXie/p/10150455.html

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  • 四六轴伺服驱动器

    千次阅读 2020-05-27 23:01:58
    1 概述和安全信息 1 2 风险 2 2.1 烧伤的风险 3 2.2 触电的风险 3 2.3 工具移动造成受伤的风险 3 2.4 电磁干扰的风险 4 2.5 由接触不良导致的电气风险 4 3 系统总体概述和技术数据 5 3.1 产品概述 5 3.2 技术特点 6 ...

    四六轴伺服驱动器
    产品手册
    及软件用户指南

    目录:
    1 概述和安全信息 1
    2 风险 2
    2.1 烧伤的风险 3
    2.2 触电的风险 3
    2.3 工具移动造成受伤的风险 3
    2.4 电磁干扰的风险 4
    2.5 由接触不良导致的电气风险 4
    3 系统总体概述和技术数据 5
    3.1 产品概述 5
    3.2 技术特点 6
    3.3 技术数据 7
    4 如何储存和安装 9
    4.1 运输和储存 9
    4.2 尺寸和安装 9
    4.3 驱动器使用要求与示例 10
    5 BSI软件详细介绍 11
    5.1 概述 11
    5.2 软件安装环境 11
    5.3 软件更新 11
    5.4 启动界面 13
    5.5 参数更改 17
    5.6 按钮 I1, I2和I3 19
    5.7 示波与工作变量 workspcace 20
    5.8 加载电机参数 21
    5.9 电流余量 21
    5.10 机械制动 22
    5.11 点动功能 22
    5.12 对准/相位模式简介 23
    5.13 数字 I/O 和模拟输入 23
    6 开始第一次使用 25
    6.1 第一步,按照要求安装并连接驱动器 25
    6.2 第二步,连接电脑并打开BSI软件 25
    6.3 第三步,按照调试流程开始电机适配 26
    i. 输入编码器参数 27
    ii. 输入电机参数 29
    7 电机调试介绍 30
    7.1 编码器检查 30
    7.2 编码器零点校准 30
    7.3 电机参数的自动适配 31
    7.4 转动惯量自动识别 32
    7.5 电机电缆检查 33
    7.6 手动增益粗调 34
    7.6.1 增益粗调原理简介 34
    7.6.2 速度测试 34
    7.6.3 位置测试 35
    7.7 自动调试增益 36
    8 Canopen 的配置 39
    8.1 生成和下载配置文件 39
    8.2 基于 Canopen 驱动器的轴配置 47
    8.3 最终调试 48
    9 设备警报 49
    9.1 驱动器设备如何报告警报 49
    9.2 控制器如何报告警报 49
    9.3 驱动器设备警报后,控制器反应情况 49
    9.4 驱动器设备警报菜单 50

    版本: SCP-SD-CN2018S
    内容:本手册主要描述伺服驱动器的安全使用手册,安装方法及调试进程。
    合法性:本文件适用于最新修订版本的内容。
    本公司保留更改产品数据的权利,其性能参见用户手册相关内容,此处不做赘述。
    本公司对于由不当操作、操作疏忽、错误操作及调节设备属性参数造成的后果,不承担任何责任。
    手册中提及的每一个预防措施都进行了说明,此外产生的错误和未提及的问题本公司不承担任何责任。
    未经书面许可,不得以任何形式传播该手册的内容。
    该文档是对设备的完整描述,它只是为了保证设备的正确使用。文档中提及的名称和标记所有权归属厂家。
    本公司对目前指南中可能出现的印刷错误、错误或不精确的地方不承担任何责任。如果您能告知我们错误,提出意见,帮助改进内容,我们表示非常感谢。
    1 概述和安全信息
    本手册提供了关于伺服驱动器正确使用的必要信息和产品组成信息。我们建议您仔细阅读,特别是本章的安全标志和规则。这将减少您使用伺服驱动器的风险。
    请将本手册放置在适当的位置,以便需要参考时能方便找到。
    本用户手册并不能完全覆盖可能的安装和产品的使用;在具体的安装过程中,用户有责任保证合适安全状况。
    驱动器的电气和机电风险是不可避免的。如果出现所有异常情况或可疑的故障,例如连接设备的产品出现可见的损坏,以及出现文档中未描述的情况,为最大限度地避免对于产品和人员的危险,请及时关闭驱动器,并把驱动器放置在安全环境中。如有任何问题,请与供应商联系。
    在接收产品时进行检查,不要接收不完整的产品或在运输过程中损坏的产品。
    本手册提供了搬运,安装和维修伺服驱动器所需的基本信息。
    驱动系统所需的其它设备,如PLC控制器、电机和电源等需要用户配套。我们提供伺服驱动器配套的上位机运行的Windows软件,该软件可以完成系统的设置、访问驱动器的内部数据。
    上位机运行的Windows软件相关信息请参考软件手册。手册包含参数设置,系统的运作模式以及CANopen的标准功能等相关信息。
    在未详细掌握本手册中关于安全设置和操作的情况下,请勿打开电源,以避免危险情况的发生。
    其它相连设备可能由不同厂家提供,请仔细参阅每个相连设备的用户手册,以便有整体的了解。
    本公司生产的设备具有先进的技术状态,并符合现行的国际标准。为了避免危险的情况的发生,请保证这些设备的正确使用。
    伺服驱动器使用环境为工业环境,必须放置在受保护的环境中,不与人或其他外用制剂(水、导电性或腐蚀性污染)直接接触。避免不当的操作可能对人和其它物品导致严重后果。
    其它要求:
    • 只允许由经过培训的工作人员进行操作,并知悉使用所带来的风险;
    • 对有可能出现的风险,在显著位置予以警示;
    • 不得修改系统的机械结构和电子电路;
    • 不得使用损坏和有故障的设备;
    • 保证按照安装手册上的指示进行。
    • 设备的正确使用必须遵守所有法规,指令和规则以及当地法律或国际标准。
    • 为确保驱动器的安全使用,要注意机械标准2006/42/EC的正确应用,遵守电气标准,机械和电子安全规范(EN60204、EN50178等),国际标准电磁场规范(EMC)。
    根据ANSI Z535安全标准规定,将风险及可能会遇到的危险情况可分类如下。安全符号定义了因未能遵守安全指示造成的危险程度。
    2 风险
    正确使用设备需要电气、机械和自动化技术的能力,用以确保机械安装和配置相关参数。
    在设备正常工作的情况下,禁止对设备工作区域和机械区域进行操作,确保设备安全措施被触发或在紧急情况下能自动停机。
    设备的安装和维护必须由经过电工知识培训的人员进行操作,严禁在高压下进行操作。
    由对设备有足够了解,并具有安全操作能力的工作人员执行伺服驱动器维护。工作人员应穿戴提供的个人保护装置。工作人员不仅需要考虑正常驱动工作情况下的安全状况,还必须始终意识到可能的电压突降,设备损坏或其他异常情况,这些情况会导致系统出现不可预知的情况。
    运动控制中的设置和校准必须由具备自动机械技术的工作人员来进行,并按照本手册中的说明进行。操作人员必须意识到在特定情况下,不正确的设置可能会引发的危险,并应采取适当的应对措施。
    产品设计时最大程度的考虑了安全性,但也有无法消除的所有可能存在的潜在风险。被割伤,压伤,擦伤的风险
    注意驱动器的搬运和安装、固定时注意适当的支撑和正确的紧固。固定过程中注意关键部件的安装和电缆的固定。使用紧固工具时小心轻放。注意悬挂荷载。
    2.1 烧伤的风险
    伺服驱动器在正常运行时,由于设备外部是金属表面,特别是散热片,可能达到较高温度。检查系统的温度可使用合适的温度计。设备表面完全冷却需要超过30分钟。
    2.2 触电的风险
    伺服驱动器工作时,内部电容可能积聚高电压和大量能量。
    确保给电气系统配备适当的安全系统(磁屏蔽,热防护,熔断器等);
    电气系统中保证驱动器良好的接地,并确保接地线的紧固;
    在驱动器工作时不要触摸电缆;
    在对机器进行任何操作前,需关闭驱动器,并等待至少5分钟。
    在所有情况下,如果怀疑系统损坏或者接地线没有连接,处理设备要非常小心,并检查实际的残余电压。
    该设备需要较大的电流输入:需选择适当的电缆并且在驱动器运行时不要拆装任何电源接插件(会有产生电弧的风险)。
    注意漏电保护,保证设备接地。
    2.3 工具移动造成受伤的风险
    该装置是用于驱动电机来移动机械结构。产品意外的动作或不当的操作可能会导致意外和危险的动作。不正确的接线和其他外部原因也会造成意想不到的后果。建议在紧急情况下使用所有的保护措施来切断伺服驱动器的电源。
    2.4 电磁干扰的风险
    我们建议使用起搏器、对电磁场敏感的其他金属植入物和设备的人员避免长时间暴露在工作环境中。在家用环境中,本产品可能会造成无线电干扰,可能需要增加缓解措施
    2.5 由接触不良导致的电气风险
    驱动器在接线错误的情况下会有可能损坏设备,或引发意外地电气风险。接触不良会造成设备持续报错而无法正常运行。

    3 系统总体概述和技术数据
    3.1 产品概述
    本公司的伺服驱动器,旨在满足高精密运动控制的需求,并提供一个同时驱动多个电机运行的集成化解决方案。驱动器可采用单相交流供电或三相交流供电,也可以通过自耦变压器或直流供电。该设备支持USB, CanOpen,以及EtherCAT总线通讯模式,使用方便,连线简单。
    这些特性使本设备特别适用于在那些多轴必须同步运行的情况。
    该驱动器是一个复杂工作系统中的组成部分,选择合适的电机和运动控制器以及其它质量合格的组件可最大限度的发挥产品功能。最终设备的工作质量和故障发生率,取决于系统的所有组件选用是否合适,使用是否正确,而不是单一部件的特性。如有任何疑问或支持,请联系我们的技术部门。
    本公司不仅关注产品的实现,同时也关注客户的满意度。因此伺服驱动器产品设计时考虑了大功率及不规范的情况下地使用可能性。请随时联系我们以评估和找到适合您的伺服驱动应用的最佳解决方案。

    3.2 技术特点
    控制回路的特征:

    • 电流环
    • 速度环
    • 位置环
    • 振动抑制功能

    其他特别功能:

    • 电机自动适配
    • 电机参数自整定
    • 电流环参数自动适配
    • 在线实时自动调整位置/速度环
    • 增量编码器的零点校正

    CanOPEN Ds301 运行特征 :

    • 通讯速度可选 50K — 1M
    • 同步和异步 PDO
    • 高达 8 个Rx PDO 和 8 个Tx PDO
    • 数字输入输出和模拟量输入输出可以通过对象库设置

    CiA 402 功能:

    • 位置模式 速度模式 / 力矩模式
    • 插补模式
    • 循环同步模式(仅EtherCAT的)

    3.3 技术数据
    描述
    输入电压 单相 220V /三相380V/直流
    编码器接口

    绝对值 / 光电增量式 / SSI
    安全转矩关断 有/SIL3 – Cat.0
    数字输入 12位24V, IEC61131-2 - Type 2
    数字输出 8位24V, IEC61131-2 – Max 0.5A
    模拟量输入 4位 ±10V 或者 0-20mA
    4位±10V
    总线模式 Modbus RTU

    插补时[毫秒] 1ms … 5ms
    PC接口 USB Type-B

    描述/产品型号 SCP-SD-4AX030 SCP-SD-4AX300 SCP-SD-6AX010 SCP-SD-6AX120
    输入电压 230 230 230 400
    额定电流 [A] 轴1 4 15 4.5 50
    轴2 4 15 4.5 50
    轴3 4 15 4.5 35
    轴4 4 15 4.5 25
    轴5 - - 4.5 25
    轴6 - - 4.5 25
    最大输出电流 [A] 轴1 10 30 10 100
    轴2 10 30 10 100
    轴3 10 30 10 70
    轴4 10 30 10 50
    轴5 - - 10 50
    轴6 - - 10 50
    开关频率[千赫] 8 8 8 8
    最大输出频率[赫兹] 400 400 400 400
    制动器 内置 内置 内置 外接
    整机重量[千克] 2.5 2.5 3 4

    4 如何储存和安装
    4.1 运输和储存
    设备的储存和运输过程中必须进行合适的包装,设备外做适当的隔离保护,使设备免受机械冲击和过度振动。
    在运输和储存的过程中应确保合适的温度和湿度。
    存储温度范围:-20 – 70 °C。
    存储湿度范围:5 – 85%无结露和霜冻。
    驱动器的防护等级是IP20,意味着此驱动器不能装配在操作者可以直接接触到的暴露室外环境下(污染等级2级EN61800-5-1)。
    设备必须被放置在一个可以放置电气特性设备的封闭的面板中,如典型的工业机器的面板或电机附近的封闭的机械区域。应当设计面板锁防止非专业人员的操作。此外,当电压高于50V时,有人操作时必须提供自动断开设备电源的机制。
    根据使用的程度,该设备会在周围的环境中产生大量的热量。因此检查内部面板和外部环境的热量转换,以确保设备最高工作温度在额定范围内是非常重要的。如果热转换不充分,应当提供适当的应对措施,比如加强通风系统或空调。内部温度应在50℃以下,安装面与热表面及空气接触,因此必须为耐热材料。
    4.2 尺寸和安装
    该设备必须使用设备所配的四个排列的孔(M4螺钉)固定(尺寸单位为mm)。
    为保证良好的散热,驱动器必须将散热片垂直安装;如果不正确安装,我们不能保证额定输出功率,并且可能会过热。此外,安装需满足如下的距离要求,以保证给连接器和电缆有足够的空间:
    • 电源连接器侧80mm
    • 电机连接器侧40mm(如果不使用DB9连接器);
    • LED/按键侧40mm,便于观测LED灯。

    4.3 驱动器使用要求与示例
    该产品必须正确连接到它的设备才能正常工作。下面内容分别描述了伺服驱动器供电端连接电路,负载端连接,以及与PC机的连接。(具体连接方式请参看附件)
    注意:
    避免接线错误(如交叉或倒置);
    在危险情况(短路,过度吸收等)下可能引起爆炸或起火;如果连接不正确,可能会使该设备产生的不可预测的危险情况。
    伺服驱动器供电需提供两种电压:24Vdc和Vac的电源部分(数值视型号而定)。电源供应使用两个可拆卸的接线端子。
    电路板逻辑功能电源电压允许范围:18 -31Vdc, 电流吸收:最大1Arms + IO负荷(与使用的轴数以及使用的外部负载有关)如果自动检测内部电子短路,产生电流限制;但外部短路则不限制。
    建议使用红色线为正极,黑色为负极。
    该接线端子最大夹持线径范围为2.5mm,最小为0.2mm,剥线长度为10mm。建议驱动器电源供应电路简图如下所示,详细内容请参见附件。

    图表 1:伺服驱动器电源供应电路示图
    5 BSI软件详细介绍
    5.1 概述
    本章节旨在帮助客户快速了解伺服驱动器所搭配BSI软件,其可以被多种 Windows 操作系统兼容,该软件还具有参数调节,发送错误指令等功能。
    5.2 软件安装环境
    BSI 软件可以在多种 Windows 操作系统下运行,其中包括 Windows 2000、 Windows XP、Windows Vista(32/64 位)、Windows 7(32/64 位)、Windows 8(32/64 位)。BSI 软件正常运行需要安装以下程序,WIN7以上电脑为默认安装,旧版本需检查软件是否完备:
    • .NET framework 2.0
    • Visual C++ 2005 SP1:用户需要安装“vcredist_x86.exe”
    • IXXAT VCI 驱动程序:用户需要安装“vci_3_4_1_3080.exe”(对SCP-SD-4AX030/300 )
    5.3 软件更新
    用户使用的BSI软件与相连的驱动器固件版本不一致时,BSI将要求升级。注意:软件更新后,驱动器的参数会被更改为默认值。如果新的软件版本上增加了新的参数,这个参数将被设置为默认值。警告:在更新过程中请勿切断电源,中断更新程序会影响用户之后的更新。
    操作过程:
    1)连接驱动器上的总线和电源;
    2)使用BSI连接驱动器。
    3)当BSI版本与驱动器固件版本不一致时,以下新窗口会弹出:

    图表 2:软件更新界面

    4)更新过程如下所示:

    图表 3:BSI软件更新进程展示
    6)如下图所示,当窗口内容显示“UPDATED TO V…”,表明更新结束。

    图表 4:BSI软件安装完成
    7)选择Status然后选择Utility下的Reboot重启驱动器。

    图表 5:重启伺服驱动器

    5.4 启动界面
    伺服驱动器启动时,可以通过USB与 BSI 软件进行通信。用户采用USB接口进行通信时,在通信线缆、电脑和驱动器工作正常的情况下,软件应当能自动辨识使用模式和电脑所使用的端口。如下图所示在Select connection channel的选择框中,Rs232选项应当已经被选择:

    图表 6:BSI启动连接界面

    在某些特殊情况下,BSI软件可能并不会自动选取Rs232选项,此时用户手动选择即可。
    点击 键使BSI连接驱动器。连接成功后BSI左侧的 将会变成 。
    BSI 界面主要构成如下:

    图表 7:BSI 主界面
    A:工具栏

    图表 8:BSI工具栏
    工具栏中的选项会根据树状操作栏选择的不同参数而改变,以上图为例,在树状操作栏中选择Status时工具栏上会出现:
    • Change Userlevel:BSI 需通过验证码才能与控制板进行通信(处于安全考虑),不同的操作级别会影响某些参数是否在树状参数栏中显示。

    • USER:只能改变基本参数,不需要密码;
    • APPLICATION:改变应用配置,不需要密码;
    • SYSTEM:改变有风险的参数,需要密码,密码为:1836;
    • ROOT:改变出厂配置参数,需要第二密:0542;普通用户不需要该密码。注意:ROOT 级别参数包含硬件配置和校准,相关用户请勿更改,以免造成安全事故。
      • Alarms:清除报警信号,当驱动器报警时,可以通过此处操作清除报警。注意:某些致命性错误再未得到更正前无法通过此选项清除。
      • Utility:选择Reboot功能将重启驱动器。

      B:树状操作栏:

    图表 9:BSI功能树
    用户通过选择、修改树状操作栏中不同的参数操作驱动器。注意:选择树状操作栏中不同类型的操作参数会有使工具栏发生改变,提供不同的功能。例如,驱动器参数的读取和保存必须选择Parameter类型里的参数后,才会在工具栏中出现相应选项。
    • Status:驱动器状态,显示驱动器当前状态摘要。
    • Parameter:驱动器参数,例如驱动连接几台电机、使用何种工作模式、每个电机通道所连接电机参数和增益等。注意:包含在此类型中可供操作的参数会根据不同的用户级别而增加或减少。
    • Data:Workspace示波区,用于采样并显示驱动器反馈的数值。
    • List / Alarms:显示驱动器的报警详细信息
    • List/events: 显示事件
    • ServoTuner:增益自动调整功能

    C:控制台

    图表 10:BSI控制台
    控制台展示了驱动器的一些情况简报。例如驱动器报警时Alarm会提示报警代码,但详细报警信息还是应当前往树状操作栏List类别中的Alarms里查看。控制台的显示信息会根据树状操作栏被选择的不同类别参数而改变。例如,如下图所示:

    图表 11:控制台显示内容示例
    当树状操作栏中的Parameter类下的P050号参数实际装配轴被选择上时,控制台会改变为专门显示P050号参数的详细信息。点击控制台右上角的Modify按钮可以修改此参数。

    5.5 参数更改
    BSI 软件可以改变单独的某一参数配置,也可以进行批量参数处理。BSI软件通过 Save parameter,将驱动器相关配置文件保存至控制计算机;通过加载参数模式,load parameter,将参数配置文件上传至驱动器。
    更改信号参数:选择 parameter,在对话框右边选择 Modify,弹出参数更改框,改完参数后点 update;

    图表 12: 更改参数
    如果设定的参数不可使用,BSI 将会提示用户,参数将无法更改。参数不合适的原因有:
    • 设定的参数超出范围(如 canbus 的 id 范围超出 1-127);
    • 设定的参数值有问题(如将 canbus 的波特率设为 900K 波特);
    • 如果某一轴正在运行,则无法改变参数值。
    参数文件保存(Save parameter):保存功能将保存全部6个轴的参数。当用户在树状操作栏中选中Parameter类别中任意参数时,工具栏将出现Save Parameter选项,如下图所示:

    图表 13:参数-菜单栏显示
    点击 Save Parameter 时,会弹出如下对话框询问参数储存位置与名称:

    图表 14:参数保存界面
    参数文件读取请点击load Parameter,将会弹出如下对话框:

    图表 15:加载参数界面
    上传的参数是按照用户级别分类的,如上图所示当前上传参数为System级。对话框中可以自定义哪些参数上传哪些不上传,而勾选Select All则所有的参数将会被上传。

    5.6 按钮 I1, I2和I3
    BSI 软件可以单独测试和运行一个或者多个电机, BSI软件通过 parameter/BOARD/TEST,将相关测试参数保存,通过手动按钮I1, 或者通过更改工作变量列表workspace中的参数: te_enable,均可启动测试。电机将会按照设定的速度,位置,或者时间在参数区间内运转。手动按钮I2默认功能为停止电机转动,I3默认功能为清除警报。 此功能对调试伺服的参数或者联机时校准电机,编码器很有帮助。

    图表 16: 工作变量列表中的参数te_enable

    此外,伺服驱动器所拥有的3个按键I1,I2和I3可以根据客户的需要来联合数字输入端口来实现其不同功能,设置位置如下:
    • Parameter/Board/DigInOut/P024-I1_Config: 设定I1按键的点动功能
    • Parameter/Board/DigInOut/P025-I2_Config: 设定I2按键的点动功能
    • Parameter/Board/DigInOut/P026-I3_Config: 设定I3按键的点动功能

    图表 17:更改I1按键功能

    5.7 示波与工作变量 workspcace
    通过示波模块可以监控伺服驱动器的内部信息,工作变量列表可以通过示波工具如 watches,traces 或 plot-table,以一个额外的窗口来显示目标内部信息。用户可以即此完成一些特殊任务分析。该功能主要完成对信号曲线的描绘,它同时最多可以描绘 8 条曲线。
    点击data后,上方菜单栏可以选择创建新的工作变量列表,加载已有的变量列表。
    每个工作变量列表又包含以下信息:

    图表 18:workspace窗口展示
    Variable:在其下拉菜单中可以添加新的变量(add new var),编辑变量(edit),和删除变量(delete).设置窗口如下图显示:

    图表 19:示波设置窗口展示
    在菜单中点击,
    • setting 按钮:会弹出设置窗口
    • sampling按钮:可以调节波形采样区间
    • Trigger按钮:设定采样进程激活值
    • Length:显示观测的总时间
    • CH:设置工作变量列表中的任意量用于观测
    向workspace的工作变量列表中可以添加任意变量的步骤如图所示:

    图表 20:在工作变量列表中添加新的变量
    点击variable按钮,弹出对话框后在Symbol变量栏中输入变量代码,可在New Alias处为其重新命名,后点击完成即可。
    完成更改的workspace图标会变为红色,点击save按钮后可选择保存更改。
    • “save date \ save wks”:在当前文件中保存工作变量列表;
    • “save date \ save wks as”在自定义文件中保存工作变量列表;
    • “save date \ save option: 选择保存内容的格式

    5.8 加载电机参数
    伺服驱动器出厂时有默认参数配置:用户使用时需根据使用环境和负载来加载参数。参数库中包含了部分电机的相关参数配置文件。每个参数文件包含 最多6 个电机的配置,用户可以选择其中一个或全部。

    1. 打开 BSI;
    2. 点击参数parameter;
    3. 选择参数文件,点击“open”;
    4. 从参数选择中选对应电机轴,点击“OK”;
    5. 提示 insert SYSTEM 时(更改用户权限),输入“1836”;
    6. 等待 BSI 读取参数;
    7. 加载完成即可,如果不同轴使用的电机类型均不相同,则对每个轴重复上述操作。
      5.9 电流余量
      每一台电机都会设计一个电流/力矩的余量:在一定时间内,电机的电流/力矩可以大于额定值;当电流/力矩超过余量,则其将会保持在一个设定的值上,直到发送指令,命令其低于额定值。
      请注意:在实际应用中,激活电流余量设置,也许会降低系统性能(在快速加速过程中,在速度余量范围内,跟踪性能良好,超过速度余量后,跟踪误差加大)。
      参数:
      • MOTORx/Config/INom:额定电流(额定电流有效值乘以 1.41);
      • MOTORx/Config/IExtra:峰值电流(额外电流有效值乘以 1.41);
      • MOTORx/Config/TExtra:额外电流作用时间;如果该值0,则可以持续输出额外电流。若最大力矩输出时间达到了该设定值。输出电流将会降低为额定电流。
      数值建议:
      • 对于一般应用,用户选择 TExtra=0, 和 IExtra=2×Inom;
      • 对于重载应用,增加 IExtra,但需保证 IExtra ≤ 3×Inom;
      • 在重载应用中,当 该数值为0 时,要确保电机冷却。
      数值范例:
      对于应用在六轴机器人末端第六轴的200W电机,其额定电流参数为1.8A,额定峰值电流参数为5.1A。在填写参数时,Inom则为1.8乘以1.41的积2.5A,而IExtra设定为2倍的Inom值,即5.0A。电机额定峰值电流参数应确保高于所设定的IExtra数值。
      5.10 机械制动
      每个电机轴都可以驱动一个数字输出。(数字输出开启则抱闸亦开启)数字输出信号控制电机扭矩输出的状态,其时间间隔可通过制动参数调整。制动参数包括:
      • MOTORx\Config\Tlock:从数字输出关闭到实际电机转矩关闭的时间;
      • MOTORx\Config\TunLock:从实际电机转矩开启到数字输出开启的时间。
      数值范例:
      对于一般负载情形时,Tunlock建议值为100ms,负载越大,建议时间越大。Tlock一般设定为0ms。
      5.11 点动功能
      伺服驱动器可以使电机在点动功能(Board/P029-Mode控制模式为40或41)运行,根据以下参数,用户可以自定义点动动作。
      • MOTORx/Config/VelJog:点动功能的参考速度;
      • MOTORx/Config/IMaxJog : 点 动 功 能 中 速 度 控 制 的 最 大 电 流(ImaxJog=INom 时,点动功能将会提供额定转矩)。

    请注意:点动曲线有一个恒定的加速度,其会在 1 秒内到达 VelJog 速度。

    5.12 对准/相位模式简介
    对于增量式编码器位置传感器,每个传感器输入拥有 A/B/Z 三个信号。因此,通电后开启电机时,驱动器需要通过一个特定步骤来寻找电机转子位置,这个过程结束后,电机就可以用转矩、速度或位置模式驱动了。
    伺服驱动器可以兼容两个类型的定位程序:
    • 标准模式(standard):电机转子执行小运动过程中,运动等于电扇区的三分之一(电扇区等于极对数);例如一个 4 对极的电机,标准对准模式将使电机转子移动最大 360°/4/3=30°;
    • 校准脉冲(align-pulses):该过程通过快速电流尖峰电检测转子位置,允许转子相位不动。在使用这个过程前,用户需要对 Z 轴进行校准,否则,驱动器将触发警报。

    对准/相位参数:
    • MOTORx\Config\AlignType:0=standard, 2=pulses;
    • MOTORx\Config\AlignDelta:在对准过程中验证编码器的三角位置;
    • MOTORx\Config\Ialign:对准/相位电流。
    注意:标准对准过程包含一些关于初始调试有用的连接检查。如果因为要严格限制转子的运动,用户需要使用进入校准脉冲模式。我们建议在调试期间,使用标准模式。调试结束后,用户可以进行 Z 轴的校准和使能脉冲对准。
    5.13 数字 I/O 和模拟输入
    驱动器具有以下的输入输出能力:
    • 12位数字输入(DIN1 ~ DIN12)+ 8位数字输出(DOUT1 ~ DOUT8);
    • 8位模拟输入0至10V (AIN0 ~ AIN7);
    软件允许通过现场总线使用数字输入\输出和模拟输入,通过在“Board\DigInOut”中配置参数,数字输出可以被分配为不同的特殊功能。用户还可以用参数“Board\DigInOut\InputPolarity”和“Board\DigInOut\OutputPolarity”,为数字输入和输出设置极性反转。
    数字输出:

    1. 设置 主板参数\数字输入输出\Dout1_config—Dout8_config
      Dout1_config——Dout6_config允许驱动器在驱动电机时使用24V电压控制制动:
      • Dout1_config:默认值为11,意既1轴的制动;
      • Dout2_config:默认值为12,意既2 轴的制动;
      • Dout3_config:默认值为13,意既3 轴的制动;
      • Dout4_config:默认值为14,意既4 轴的制动;
      • Dout5_config:默认值为15,意既5 轴的制动;
      • Dout6_config:默认值为16,意既6 轴的制动;
      Dout7_config~Dout8_config并无特殊功能,默认值皆为0。参数为0时输出口受到总线控制。
      请注意:
    2. 无极性反转,当制动锁定(抱闸)时,数字输出处于开启状态;
    3. 极性反转,当制动开启(松闸)时,数字输出处于开启状态。
      相关参数请参见“MOTORx\Config\Brake”。

      6 开始第一次使用
      6.1 第一步,按照要求安装并连接驱动器
      6.2 第二步,连接电脑并打开BSI软件
      使用一端为A类接口另一端为B类接口的USB线(既USB打印机线)连接驱动器和电脑。在电脑上打开软件BSI。您将看到以下画面:

    图表 21: BSI软件启动界面
    更新点击CONNECT连接驱动器。如果BSI弹出以下窗口:

    图表 22:BSI软件更新提示
    则表明BSI软件与驱动器固件不一致,而BSI要求对驱动器固件进行刷新。点击UPDATE按钮更新固件,等待完成后,重启伺服驱动器。
    BSI软件与驱动器固件一致的情况下,BSI左侧红色的6AX(OFFLINE)变为6AX(ONLINE)。

    图表 23: BSI软件连接界面
    6.3 第三步,检查驱动器参数的设定
    连接完成BSI之后,首先对驱动器的参数进行确认。参数一:BOARD/Product/P001-Hardwarerev 的编号应根据驱动器的类型进行设置。
    类型 输出电流 [A] 电压 编号
    轴1 轴2 轴3 轴4 轴5 轴6
    四轴 15 15 15 15 - - 150 Vdc 03
    15 15 15 15 - - 400 Vdc 04
    15 15 15 15 - - 230 Vac 05
    15 15 15 15 - - 230 Vac 07
    六轴 10 10 10 10 10 10 230 Vac 30
    25 25 25 25 50 50 380 Vac 50
    25 25 25 35 50 50 380 Vac 51
    参数二:Dclink参数,部分参数值在ROOT权限下可见。
    编号 名称 四轴380Vac 四轴230Vac 六轴 380 Vac 六轴 230 Vac
    P005 VMinDclink 480 Volt 180 Volt 480 Volt 180 Volt
    P008 VPrcDiff 30 Volt
    P009 VMaxDclink 750 Volt 450 Volt 750 Volt 450 Volt
    P010 VRig 700 Volt 400 Volt 700 Volt 400 Volt
    P011 VRigDiff 30 Volt
    P012 TRig 2 s
    P013 DclinkFlags 1-Brake_NoSTO
    参数三:BOARD/P050-ENABLE 的默认设置为0b00 111111 (六轴驱动器)或0b00 00111111 (四轴驱动器). 用户也可根据实际使用的轴对参数进行调整。
    编码 激活轴
    0b00 000 001 一轴
    0b00 000 010 二轴
    0b00 000 100 三轴
    0b00 001 000 四轴
    0b00 010 000 五轴
    0b00 100 000 六轴
    6.4 第四步,按照调试流程开始电机适配
    注意:进行本章节操作时,请确保电机已经固定并且轴承没有连接任何部件,在初次调试时,请勿带动负载,以防损坏设备。

    图表 24:电机初次适配流程
    在初次使用伺服驱动器控制电机运转之前,请在无负载的情况下操作该流程,并确保电机转子上活动零件,避免意外损伤。
    i. 输入编码器参数
    输入参数时请注意本驱动器部分所需参数为相间特性而非线间特性,请依照以下流程操作:

    1. 更改驱动器用户级别
      连接BSI,点击Status然后在菜单中新出现的Change UserLevel中选择SYSTEM级别,输入密码1836。

    图表 25:更改用户等级
    2) 根据编码器类型输入相应的参数,以一号轴电机为例。
     绝对值编码器

    1. 编码器单圈字符数 P1040-STbits
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P1040-STbits,点击右侧的Modify按钮输入编码器单圈字符数。

    图表 26: 编码器单圈字符数
    2. 编码器多圈字符数P1050-MTbits
    从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P1050-MTbits,点击右侧的Modify按钮输入编码器多圈字符数。
     增量式编码器

    1. 编码器每转脉冲数P560-Npulses
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P560-Npulses,点击右侧的Modify按钮输入编码器多圈字符数。
    2. 数字滤波比率P970-Enc_Filter
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P970-Enc_Filter,点击右侧的Modify按钮输入编码器多圈字符数。
       Endat 编码器
    3. 编码器单圈字符数 P1040-STbits
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P1040-STbits,点击右侧的Modify按钮输入编码器单圈字符数。
    4. 编码器多圈字符数 P1050-MTbits
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P560-MTbits,点击右侧的Modify按钮输入编码器多圈字符数。
    5. 编码器通讯频率 P1060-EndatEncFreq
      从左侧列表中选择一号电机/配置/编码器/P1060-EndatEncFreq,点击右侧的Modify按钮输入编码器通讯频率。
      ii. 输入电机参数
    1. 电机极对数 P550-Npp
      在一号电机/配置/P550-Npp 中输入电机极对数。
    2. 额定电流 P570-INom
      在一号电机/配置/P570-额定电流中输入电机的额定电流*1.41,既3安培的电机在此值中输入4.23。

    图表 27: 电机额定电流
    3) 最大电流 P580-IExtra
    在一号电机/配置/P580-最大电流中设定电机所允许的最大电流,一般初次调试时建议设定较小的数值,如1A。一般设定为2*INom
    4) 相电阻 P570-Resist
    在一号电机/配置/P750-Resist中输入电机的相性电阻值。
    5) 相电感 P760-Indutt
    在一号电机/配置/P760-Indutt中输入电机的相性电感值。
    6) 扭矩系数 P770-KI
    在一号电机/配置/P770-KI中输入电机的扭矩系数。
    7) 相性反向电动势 P780-KE
    在一号电机/配置/P780-KE中输入电机的相性反向电动势。
    8) 额定转速 P790-Wnom
    在一号电机/配置/P790-Wnom中输入电机的额定转速。
    9) 最高转速 P800-Wmax
    在一号电机/配置/P800-Wmax中输入电机的最高转速。
    7 电机调试介绍
    7.1 编码器检查
    开始使用伺服驱动器控制电机运转的第一步就是进行编码器的检查,首先输入编码器参数,然后进行如下步骤:

    1. 开启伺服驱动器的 24V 电源并通过usb线连接设备与电脑
    2. 选择workspace “检查”并激活其编码器位置变量
    3. 转动电机的转子,并检验脉冲数的变动;如果显示的值为零,则应检查编码器的连接
    4. 对于其他电机,重复步骤2,3.
    5. 若对于已安装在机器人上的电机,如能正常读到编码器数据就可确保通讯成功。
      7.2 编码器校准
      进行完编码器的检查之后,开始校准编码器位置。请检查确保电机无负载,输入电机参数,然后进行如下步骤:
    6. 开启伺服驱动器的 24V 电源并通过usb线连接设备与电脑
    7. 更改用户权限为系统级System,输入密码为1836
    8. 设置Parameter/Board/P029 – MODE 控制模式为 15
    9. 在Parameter/Board/P050 – ENABLE中激活对应的电机,轴的命名方式为0b00-XXX XXX (X为0,意味着关闭轴,1为激活轴,例如只激活一三轴,则为0b00-000101)
    10. 在BOARD\Test\P030 - AxisEnable中设置待适配的电机号,规则如上
    11. 连接主电源Vac
    12. 按动按钮I1,启动自动校准进程。
    13. 自动检测完成后,相应电机参数配置中P820-IndexCal值将会改变。(例如一号电机就是:Motor1\Config\P820-IndexCal)
      7.3 电机参数的自动适配
      在完成了编码器零点校准之后可以开始进行电机参数的自动适配,建议每次适配一个轴:
    14. 确保电机无负载且连接件已移除
    15. 连接设备与电脑后,启动BSI并更改用户权限为系统级System,输入密码1836
    16. 设置Parameter/Board/P029 – MODE 控制模式为 16
    17. 激活对应电机轴Parameter/Board/P050 – ENABLE
    18. 在BOARD\Test\P030 - AxisEnable中设置待适配的电机号
    19. 连接高压输入
    20. 按下按钮 I1后,电机将按照自动流程开始运动。若在适配过程中如果发现错误BSI 将显示报警“Servo on ALARM”
      故障排除指引:
      报警代码 描述
      0x7390 - ERR_PHASE_W 电机相线W失联,请检查接线。
      0x7391 - ERR_PHASE_V 电机相线V失联,请检查接线。
      0x7392 - ERR_PHASE_U 电机相线U失联,请检查接线。
      0x7393 - ERR_NOINDEX 电机运动时没检测到编码器标志位脉冲,请检查编码器接线。
      0x7394 - ERR_PHASE_ENC 电机运动时没检测到编码器A/B脉冲,请检查编码器接线。
      0x7396 - ERR_PARAM 自动适配过程中写入参数值出错,请联系厂家。
      0x7397 - ERR_CONN_POW 自动适配开始时电力供应过低,请检查供电。
      0x7398 - ERR_KE KE估算报警,无法达到额定速度的80%,请降低WNom值、检查供电或更换电机
      0x739C - ERR_J J估算时报警,无法启动电机或无法达到额定转速,请检查轴是否被锁死、检查供电以及电机接线。
      7.4 转动惯量自动识别
      完成电机参数的自动适配以后开始进行转动惯量自动识别,在这个过程前,用户需要设置一些参数来定义自动调节行为。自动调节过程如下:
    21. 开启六轴驱动器的 24V 电源并与 BSI 连接;
    22. 设定目标的百分比 MOTORx\Autotuning\P980-Stiffness,初次尝试,可将其设为 25%;
    23. 设 定 目 标 在 此 过 程 中 允 许 的 最 大 位 移 的 偏 差MOTORx\Autotuning\P990-MaxOffset,初始值可为2个机械转动圈数
    24. 设定惯性频率 MOTORx\Autotuning\P1000-FreqStart,初始值为1。
    25. 设定 BOARD\Test\P030 - AxisEnable 来选择电机通道
    26. 设定 BOARD\Mode=22(有限运动模式下的参数自动配置)
    27. 开启供电电源
    28. 确保电机的行程范围兼容“MaxOffset”参数
    29. 按下按钮“I1”
    30. 整个过程需要花费几分钟(状态栏会显示“Calibration in progress(校准进行中)”);这个过程结束后,驱动器进入准备状态。如果状态栏显示“Servoon ALARM”,则检查报警日志(LOG);具体请参阅“device alarms(设备警报)”说明
    31. 完成该步骤之后,就完成了电机参数的初步配置。
      7.5 电机电缆检查
      在进行电机试运行之前,首先检查电缆连接状况。步骤如下:
    32. 开启六轴驱动器的 24V 电源并与 BSI 连接
    33. 设置 BOARD\Mode=40(速度测试)
    34. 设置 BOARD\Test\P030 – AxisEnable
    35. 设置 BOARD\Test\P035-WStar1=0,BOARD\Test\P036-WStar2=0
    36. 设置 MOTORx\Config\P650-AlignType=0(标准对准)
    37. 开启供电电源;
    38. 按下按钮“I1”;
    39. 状态栏应显示“Servo RUNNING”或变量te_enable数值为1;如果状态栏显示“Servo on ALARM”,则在主树上选择 LOG 来检查报警原因;具体请参阅“device alarms(设备警报)”说明;
    40. 按下按钮“I2”停止测试,按下按钮“I3”重置警报。

      7.6 手动增益粗调
      完成上述流程后,用户可以通过BSI检测速度和位置控制性能,做基本的调整。
      7.6.1 增益粗调原理简介

    图表 28:电机控制原理图
    图展示了电机控制方式的概要。黄色区块是标准调节器(P或PI调节器),淡蓝色区块则是其他可调参数影响的区块。
    在位置调节器(Position regulator)中,用户可以通过改变P670-PosKp参数来调节P的比例增益。在速度调节器中(Speed regulator),用户可以通过改变P630-SpeedKp和 P640-SpeedTi 参数来调节PI比例增益和积分增益。在Iq电流调节器(Iq current regulator)中,用户可以通过改变P600-CurrentKpQ 和 P610-CurrentTiQ 参数来调节PI比例增益和积分增益。
    前馈作用可以通过调整 P700-PosKFF和 P690-SpeedKFF 参数来分别改变位电流以及速度前馈,在速度过滤器中,可以通过改变P680-SpeedFiltBW 调节过滤带宽。P810-Kcross参数用于设置Iq和Id在Id中的电流环中的交叉补偿。建议值为100%。
    7.6.2 电机增益范例
    在机器人应用中,由于工作环境与工作要求的不同,机器人各个轴的电机参数不尽相同。高负载的参数不一定很好的适合低负载的电机。所以为每个电机确定最优的参数是一项必要的工作。一般而言,每次调整一个电机的参数,依次进行,待全部完成后,再根据需要对整个机器人的运动进行参数调节。在此过程中,BSI的示波窗口能给你巨大的帮助。
    电流环是参数调节过程中最关键的一环。我们建议客户直接使用自动调增益的供能来确认参数值,除非您已经很熟悉整个调参环节。在初次参数调整中,我们建议先从速度环开始,因为速度环参数设置不当是大多数情形下机器异常震动的主因。最常用的方法也是同时加大速度环Kp和Ti参数,但在操作之前,请先确认每个轴的运动状态。当速度环调整结束之后,发现速度参考值出现波动,则应调节前馈速度。 如果波动剧烈,则适当减小PosFF参数,以后减小PosKp参数来减弱位置环的比例增益。
    基于方便用户的考虑,我们提供一个表格。该表格给出了常见电机类型的增益参数范围,可用于增益调试过程中的基础参考值。请注意,该参数适用于安装在机器人上的电机且无额外负载的情况。
    电机(W) 电流环 速度环 位置环 速度滤波带宽 Jrot Jload Bload
    KpQ TiQ Kp Ti Kp
    50 33~40 1.5
    ~2 0.015~0.025 7~15 50
    ~70 2500~3000 0.05 0.1 0
    100 25~30 1
    ~2 0.04
    ~0.1 7~12 70
    ~100 2500~3000 0.05 0.1 0.001
    400 4~
    11 1.1~3.2 0.14~0.420 8~12 70
    ~110 2500~3000 0.3 0.6~1 0.001~0.002
    750 4.5~11 2.5
    ~3.5 0.4
    ~0.6 9~15 50
    ~70 2500~3000 0.8
    ~1.1 1.5~2 0.001~0.002
    7.6.3 速度测试
    在速度测试流程中,应首先设定电机运转参数并利用workspace来监控分析电机运行中的性能状况。所需参数如下:
    • BOARD\TEST\P035-WStar1:速度参考一
    • BOARD\TEST\P036-WStar2:速度参考二
    • BOARD\TEST\P032-Tramp:定义加速时间
    • BOARD\TEST\P031-Tcycle:定义循环周期时长。
    步骤如下:

    1. 开启六轴驱动器的 24V 电源并与 BSI 连接
    2. 设置“WStar1/WStar2/TRamp/Tcycle”定义一条曲线;初次尝试,使用低加速度(长加速时间)和低目标速度(低速度参考)
    3. 设置 BOARD\P029-Mode=40(Test Speed)
    4. 打开工作界面“六合一-速度环测试”
    5. 开启电源
    6. 按下按钮“I1”开始测试,按下按钮“I2”停止测试
    7. 激活工作变量列表的变量并设置观测窗口,点击“SINGLE”按钮获取追踪曲线
    8. 调整Kp(MOTORx\Tuning\P630-SpeedKp)和Ti(MOTORx\Tuning\P640-SpeedTi)以优化性能;快速响应则增大Kp,并减小 Ti;加大抗干扰能力,则减小 Kp,增大 Ti;验证 Iff(前馈电流)是 Iqref(电流参考)的 70/80%;如果 Iff 小,则增大参数 Jload(MOTOR\Config\P880-Jload)
      7.6.4 位置测试
      位置测试流程与速度测试流程相仿:
      • BOARD\TEST\P037-ThStar1:位置参考一
      • BOARD\TEST\P038-ThStar2:位置参考二
      • BOARD\TEST\P032-Tramp:定义位置 1 切换到位置 2 的时间
      • BOARD\TEST\P031-Tcycle:定义循环周期
      步骤如下:
    9. 开启六轴驱动器的 24V 电源并与 BSI 连接
    10. 设置“ThStar1/ThStar2/TRamp/TCycle”定义一条曲线;初次尝试,使用低加速度和低目标速度
    11. 设置 BOARD\Mode=45(位置测试)
    12. 开放工作界面“六合一-位置环测试”
    13. 开启电源
    14. 按下按钮“I1”开始测试,按下按钮“I2”停止测试
    15. 激活相应的变量,设置观测窗口并点击“SINGLE”按钮获取跟踪:如果速度跟踪的非常好,则增大 PosKp(MOTORx\Tuning\PosKp)以减小位置误差 PosError;如果速度跟踪的不好,则减小 PosKp(用户需要调高速度跟踪性能,以获得更好的位置跟踪性能)
      7.7 自动调试增益
      伺服驱动器拥有自动调试增益的功能,由于在不同的使用场景下增益有所不同,因此建议客户在使用自动调试增益时,尽量使电机处于所设定的工作状态下使用本功能。
      以六轴机械手的第二轴举例,在一个串联结构下,其他轴的运动都会干扰到第二轴的运行。因此对于第二轴而言,想要获取一个较好的参数应当使所有轴都在联动的情况下使用本功能。
      在使用本功能调试电流环时,请确保电机未处于使能状态下。
      在使用本功能调试速度和位置环时,应当使电机往复运行的情况下(如速度环测试状态或位置环测试状态),速度不要太快也不要太慢。使电机的电流常处于一个具有代表性的区间内。
      调试步骤:
      • 启动驱动器的24v供电并连接BSI
      • 点击左侧列表最下列的ServoTuner,依下图所示:

    图表 29:Servotunner启动窗口
    • 点击右侧 调试电流环。
    • 出现下图

    图表 30:位置环参数设定界面
    • 在Axis下拉列表中选择需要调试的轴。在Bandwidth拖动滑块调整参数百分比,点击 将参数写入。写入参数前请确保电机未处于使能状态,请检查参数值是否处于合理范围,不正确的值可能导致运行不稳定并伤害系统。
    • 使能电机,并使电机往复运动在一个范围间,此时建议让电动运行在额定工作状态下,或者参考7.6进行测试模式运动。
    • 点击 按钮进行速度或位置环调试。
    • 出现下图:

    图表 31:速度/位置环调参界面
    • 点击Axis的下拉列表选择需要调试的电机,点击Mechanical load model的下拉列表选择测试模型(此值建议默认),点击 按钮开始对电机的运行开始采样。一段时间采样完成后,拖拉Axis stiffness控制刚性百分比。点击 写入算好的增益参数,写入参数前请检查参数值是否处于合理范围,不正确的值可能导致运行不稳定并伤害系统。注意:在无额外机器负载的情况下,速度环Kp不应大于1。如果新的增益被写入后电机出现鸣叫、抖动或其他不正常现象可以按 按钮恢复写入前的参数。

    8 Canopen 的配置
    在启用 Canopen 通讯前,需要进行相应的数字控制配置。
    8.1 生成和下载配置文件
    以下步骤,一步一步的进行设置,操作系统通过 NetBuilder 来管理驱动器。

    1. 从左边的菜单中选择“EDS 4A”文件,并将其拖动到中央窗口里;
    2. 打开设置文件并设置 node 号(默认为 1);
    3. 允许命名驱动器,例如 4Assi Digit
    4. 选择“Adanced”,并在下一个界面选择“Parameters”;此时,可以显示 EDS 文件的所有对象,并修改相应的值;
    5. 选择对象“1400(参数 RPDO1)”,并扩大选择;
    6. 设置接收对象 PDO1。在参数对象 1400.1 中写入“0x200+node 值”(由于默认 node 为 1,故本例中给的值为 0x201),然后在键盘上点击“Change”。

    对于对象 1401.1、1402.1、1403.1 重复上述操作,插入值分别为 0x301、0x401、0x501。为了灵活的管理驱动器,设置了 3 个额外的 PDO,1404.1、1405.1、1406.1。对于这些 PDO,需要借用别的 PDO 保留其他 node,这里选择使用一个偏移量等于 20(十六进制数),故需要重复上述步骤插入下面的值:
    • 1404.1 → 0x80000221,0x221
    • 1405.1 → 0x80000321,0x321
    • 1406.1 → 0x80000421,0x421
    对象 1400.2,1401.2,1402.2,1403.2,1404.2,1405.2,1406.2 确定 PDO传输类型,默认情况下它们为 0xFF(异步发送),因此他们必须替换为正确的值。在这种情况下,对象 1400.2,1401.2 和 1406.2 可以保留默认值,而对象 1402.2,1403.2,1404.2 和 1405.2 必须设定为 0x1。至此,必须在 PDO 中定义对象,为了方便,我们将 4 个控制字映射到第一个 PDO 中。4 种操作模式映射到第二个PDO 中。目标位置映射到第三、第四 PDO 中。将目标 Velocity 映射到接下来的PDO 中,当前驱动器上的数字输出对象将会映射到最后一个 PDO 中。选择并展开对象 1600。在参数对象 1600.1 中写入 0x60400010,x 后前 4 个数表示目标,接下来 2个数显示对象的子指标,剩下的两个数表明对象所占的字节数。08 表示 1byte,10 表示 2byte,20 表示 4byte。重复上述过程,对对象 1600.2、1600.3、1600.4 分别写入 0x68400010、0x70400010、0x78400010。用户需要定义对象 1600.0 里,PDO 映射的编号。选择 1600.0 并写入 0x0、0x4。

    系统只报告写入值的对象,如果显示的顺序与写入的顺序一致,则映射是正确的。

    对象	写入值
    1601.1	0x60600008
    1601.2	0x68600008
    1601.3	0x70600008
    1601.4	0x78600008
    1601.0	0x0,0x4
    1602.1	0x60C10120
    1602.2	0x68C10120
    1602.0	0x0,0x2
    1603.1	0x70C10120
    1603.2	0x78C10120
    1603.0	0x0,0x2
    1604.1	0x60FF0020
    1604.2	0x68FF0020
    1604.0	0x0,0x2
    1605.1	0x70FF0020
    1605.2	0x78FF0020
    1605.0	0x0,0x2
    1606.1	0x4C010020
    

    至此,接收 PDO 映射完毕,用户需要映射传输 PDO。前 4 个 PDO 中,我们将映射状态字、操作显示模式、实际位置值。在这种情况下,我们从 PDO 中借用一些 node 来映射更多的对象,这些对象用来报告连接到驱动器上的数字输入状态(通常连接轴的限位开关)。以下是对象对应的映射值:
    对象 写入值
    1800.1 0x181 (180 + node number)
    1801.1 0x281
    1802.1 0x381
    1803.1 0x481
    1804.1 0x800002A1,0x2A1
    1A00.1 0x60410010
    1A00.2 0x68410010
    1A00.3 0x70410010
    1A00.4 0x78410010
    1A00.0 0x0,0x4
    1A01.1 0x60610008
    1A01.2 0x68610008
    1A01.3 0x70610008
    1A01.4 0x78610008
    1A01.0 0x0,0x4
    1A02.1 0x60640020
    1A02.2 0x68640020
    1A02.0 0x0,0x2
    1A03.1 0x70640020
    1A03.2 0x78640020
    1A03.0 0x0,0x2
    1A04.1 0x4C000020
    最后,你需要指定一个对象通讯周期的值,以便定义同步时间。对象若为0X1006,那么给它给配的值为 1000(十六进制表示为 3E8)。一旦完成了 PDO 的映射过程,将进入显示在控制器上的对象的符号名分配过程。在操作系统中直接定义对象,必须将其定义为类似 PID 一样的有象征性的固定名称,通过 PLC 应用程序管理的对象将被定义为 APL。选择 6040,然后在框中输入变量明:PID_CW_X(CW 为符号名称,X 为节点名称)。

    对象及其对应的符号名如下:
    对象 变量名
    6041 PID_SW_X
    6060 PID_MO_X
    6061 PID_MOD_X
    6064 PID_PAV_X
    60C1.1 PID_TPIP_X
    60FF PID_TV_X
    6840 PID_CW_Y
    6841 PID_SW_Y
    6860 PID_MO_Y
    6861 PID_MOD_Y
    6864 PID_PAV_Y
    68C1.1 PID_TPIP_Y
    68FF PID_TV_Y
    7040 PID_CW_Z
    7041 PID_SW_Z
    7060 PID_MO_Z
    7061 PID_MOD_Z
    7064 PID_PAV_Z
    70C1.1 PID_TPIP_Z
    70FF PID_TV_Z
    7840 PID_CW_W
    7841 PID_SW_W
    7860 PID_MO_W
    7861 PID_MOD_W
    7864 PID_PAV_W
    78C1.1 PID_TPIP_W
    78FF PID_TV_W
    4C00 PID_SENS4A_XYZW
    4C01 APL_DOUT_1
    确定名称后,在屏幕上点击“OK”,将会回到主窗口。在主窗口中选择参数列表,在左侧点击 01—4A,现在完成 PDO 映射。搜索并选择 1400.2,并将其拖到顶部的第一个盒子内。现在用户需要将第二个盒子中的对象 1600.0 赋值 0x0(PDO0 是空白的),将对象 1600.1、1600.2、1600.3、1600.0 赋值 0x4(在 PDO4 中,对象已被设定),最后 1400.1=0x201(PDO1 被激活,如果没有以正确的命令插入对象,那么驱动器不会被设置)。对象及其指令如下:
    对象 检测值
    1601.0 0x0
    1601.1
    1601.2
    1601.3
    1601.4
    1601.0 0x4
    1401.1 0x301
    1402.2
    1602.0 0x0
    1602.1
    1602.2

    1602.0 0x2
    1402.1 0x401
    1403.2
    1603.0 0x0
    1603.1
    1603.2

    1603.0	0x2	
    1403.1	0x501	
    1404.1	0x80000221	
    1404.2		
    1604.0	0x0	
    1604.1		
    1604.2		
    1604.0	0x2	
    1404.1	0x221	
    1405.1	0x80000321	
    1405.2		
    1605.0	0x0	
    1605.1		
    1605.2		
    1605.0	0x2	
    1405.1	0x321	
    1406.1	0x80000421	
    1406.2		
    1606.0	0x0	
    1606.1		
    1606.0	0x1	
    1404.1	0x421	
    1A00.0	0x0	
    1A00.1		
    

    1A00.2 0x0
    1A00.3
    1A00.4
    1A00.0 0x4
    1800.1 0x181
    1A01.0 0x0
    1A01.1
    1A01.2
    1A01.3
    1A01.4
    1A01.0 0x4
    1801.1 0x281
    1802.2 0x1
    1A02.0 0x0
    1A02.1
    1A02.2
    1A02.0 0x2
    1802.1 0x381

    1803.2 0x1
    1A03.0 0x0
    1A03.1
    1A03.2
    1A03.0 0x2
    1803.1 0x481
    1804.1 0x800001A1
    1A04.0 0x0
    1A04.1
    1A04.0 0x1
    1804.1 0x1A1
    1006 0x3E8

    现在存放文件,选择Network → Build → Binary Files

    在不修改应用程序的条件下,通过 SDO 来设置对象(假设需要修改轴的回路增益),你需要设计 CNF,网络生成器和电源将会在一个特殊的平台提供这些对象。网络生成器创建文件 iomap0.cmg 和 network0.cmg。
    8.2 基于 Canopen 驱动器的轴配置
    用Canopen 模式的轴,在使用前需设定一些机械参数。首先设定驱动器类型为 9(Canopen)。随后会显示一系列的 Canopen 参数,这是专门针对于此类型的现场总线的。第二个参数为 Canopen 编码器配置,使用绝对编码器时,将第二个参数设置为 3;若使用单匝编码器,将第二个参数设置为 4。正确设置的轴参数如下所示:

    1. 将 CANopen-electric alignment 设置为“YES”,以允许驱动器在启动时进行对准,以及对其进行相应的操作;
    2. 将 CANopen-merge PDO 设置为“YES”,以优化信息传输,减小带宽占用;
    3. 将 CANopen-internal limit no err 设置为“NO”,以设置状态字内部限制位。
      建议将 SDO 设置到“YES”以设定 CANopen-parameters 的参数,它是在自检测极性定义阶段,通过与速度、加速度相关的参数 SDO 发送的。CANopen-verify 参数必须与前面的参数连贯设置。CANopen-homing 模式需要与相应的自检测数一起设置,并通过 DS-402 定义。为了获得编码器的参数,需要做如 PowerFamily 手册中说的计算,不论编码器自身如何转,驱动器都会发给控制器一个模拟编码脉冲信号 65536/转。

      8.3 最终调试
      控制器会使轴直接调优,要做到这一点,必须进入控制器的示波器功能(在主界面上按 F1,然后按 F4),设置工作数据,点击回车键。然后按下“start”,将开始在设定时间之间向前、向后运动。在示波器上观测到 Vel(理论速度),Tvel(真实速度),Err(位置误差),通过运动曲线,可以分析运动的质量。按下 CANopen CNF 键会打开一个窗口,包含每个轴 CNF 对象设定相对电流值的清单。适当修改这些对象,可能会校准位置 PID。这些对象修改完成后,将会给驱动器发送新的 SDO,此时将会显示 SDO 变换的信息,错误将会标红,表明该部分操作不成功。CNF 对象如下:
      对象及名称 含义
      5008 CNF_DEHOM_X Z 轴与初始零位之间的编码器的槽数
      5408 CNF_DEHOM_Y
      5808 CNF_DEHOM_Z
      5C08 CNF_DEHOM_W
      28A4.1 CNF_JLOAD_X 实时检测 PID 位置的负载惯量,
      以便更好的处理校正算法
      28A5.1 CNF_JLOAD_Y
      28A6.1 CNF_JLOAD_Z
      28A7.1 CNF_JLOAD_W
      2838.1 CNF_KFFACC_X 加速度前馈(百分比形式表示)
      2839.1 CNF_KFFACC_Y
      283A.1 CNF_KFFACC_Z
      283B.1 CNF_KFFACC_W
      283C.1 CNF_KFFVEL_X 速度前馈(百分比形式表示)
      283D.1 CNF_KFFVEL_Y
      283E.1 CNF_KFFVEL_Z
      283F.1 CNF_KFFVEL_W
      2830.1 CNF_KPPOS_X 位置回路比例常数
      2831.1 CNF_KPPOS_Y

    2832.1 CNF_KPPOS_Z
    2833.1 CNF_KPPOS_W
    2820.1 CNF_KPVEL_X 速度回路比例常数
    2821.1 CNF_KPVEL_Y
    2822.1 CNF_KPVEL_Z
    2823.1 CNF_KPVEL_W
    5009 CNF_NRIDX_X 编码器凹槽数(启动时将值重置,只有
    完成电气对准后,它才变得很重要)
    5409 CNF_NRIDX_Y
    5809 CNF_NRIDX_Z
    5C09 CNF_NRIDX_W
    2824.1 CNF_TIVEL_X 速度环积分所用时间
    2824.1 CNF_TIVEL_Y
    2824.1 CNF_TIVEL_Z
    2824.1 CNF_TIVEL_W

    9 示波窗口常用变量代码
    变量名称 描述 含义
    encoders[ax].Position 实际位置 (CANOpen notation) CANOpen notation
    16msb=round counter
    16lsb=round fraction
    encoders[ax].IdxSeenCount 使能计数器 Index count
    controls[ax].Regs.PosError 位置环误差 (CANOpen notation) CANOpen notation
    controls[ax].Regs.PidW.Ref 速度参考值,速度环 Rad/s
    controls[ax].Regs.PidW.Fdb 速度测量值,速度环 Rad/s
    controls[ax].Regs.PidW.Err 速度环 Rad/s
    controls[ax].Regs.PidW.Out 速度环输出
    (IQ分量的电流参考) Ampere peak
    controls[ax].Regs.PidIq.Ref Iq电流环参考值 Ampere peak
    controls[ax].Regs.PidIq.Fdb Iq电流环测量值 Ampere peak
    controls[ax].Regs.PidIq.Err Iq电流环误差 Ampere peak
    controls[ax].Regs.PidIq.Out Iq电流环输出 Phase volt peak
    controls[ax].Regs.WffCalc 依据于位置参考值计算的前馈速度 Rad/s
    controls[ax].Regs.IffCalc 依据于参考速度的加速度及Jlod+Irot 参数计算出的前馈电流 Ampere peak
    controls[ax].Regs.VffCalc 依据于电机速度和 BEMF 系数的前馈电压 Volt peak
    controls[ax].ThStar CANOpen 或 测试进程给出的位置参考
    (仅对位置控制环模式有效) CANOpen notation
    controls[ax].WStar CANOpen 或测试进程给出的速度参考
    (仅对速度控制环模式有效) CANOpen notation
    controls[ax].IStar CANOpen 或测试进程给出的Iq分量参考值
    (仅对电流环控制模式有效) CANOpen notation
    controls[ax].Type 0=control off
    10=torque d/q
    12=speed (with internal feedforward filter)
    13=position (with internal feedforward filter)
    14=speed (with external feedforward generation)
    15=position (with external feedforward generation)
    controls[ax].Mon.Irms Load RMS current Ampere RMS
    te_enable Variable for command testing modes from BSI:
    0=testing is switched off (equals to pushing I2)
    1=enable testing (equals to pushing I1)
    3=force an alarm reset (equals to pushing I2)
    co_ax_contexts[ax].
    Device.ControlWord CANOpen control word for axis see DSP402
    co_ax_contexts[ax].
    Device.StatusWord CANOpen status word for axis see DSP402
    co_nmt_state CANOpen DS301 网络状态
    1=INIT
    2=PRE-OPERATIONAL
    8=OPERATIONAL
    16=STOPPED
    co_sync_cycle_time 插补模式的同步周期时间 micro-seconds
    10 设备警报
    10.1 驱动器设备如何报告警报
    驱动器的警报可以在 BSI树状操作栏中List里的Alarms中读取,根据 Alarms 节点选择,BSI将读取的警报列表,并与附加信息一块显示给用户。如果现场总线CANopen或EtherCAT是启用的,一旦报警触发,驱动器会将紧急消息发送到现场总线主站,并通过 DS-301 定义。
    10.2 控制器如何报告警报
    用户可以在控制器 Canopen 信息窗口中分析警报:

    1. 点击测试,直到 Canopen 信息窗口出现;
    2. 选择驱动器设备;
    3. 在 EMCY 窗口上将出现控制器上电紧急情况菜单;
      10.3 驱动器设备警报后,控制器反应情况
    4. 当驱动器发出警报,Canopen 将过渡到错误状态
    5. 控制器检测到故障,记录并试图重启驱动器。
      10.4 驱动器设备警报菜单
      设备警报菜单如下:
      代码 警报 描述
      2185 overcurrent 12TDC-link 系统检测到 DC-link 过载,请检查负载和加速度
      2186 Short circuit DC-link 系统检测到 DC-link 短路,请检查电机接线
      2283 Short circuit SPM 系统检测到电机短路,请检查电机接线
      2284 Error current sensing 系统检测到当前的读数有问题,请联系制造厂商
      2311 Overcurrent SPM 系统检测到电源模块过载,请检查电机负载和加速度
      3210 Over voltage DClink 系统检测到直流母线过电压。
      对于大负载惯量,请安装一个外部电阻
      3220 Under voltage DClink 系统已经检测到低电源电压,正常情况下,
      控制器切断电源前,应关掉驱动器设备
      4110 Over temperature 环境温度超过标准值
      4310 Heatsink Over temperature 电源散热片温度超过标准值
      5117 Under voltage SPM 系统检测到低电源电压,请联系制造厂商
      5530 Hardware error 系统检测到错误的数据存储器,请联系制造厂商
      6200 User alarm 系统检测到用户警报,用户警报由BSI 触发,检查警报触发器
      6310 Parameter loading error 在启动过程中,获取参数的内存出现故障;验证参数值
      6311 Parameter update error 参数更新中,写入内存出现故障,验证参数值
      6312 Parameter save error 在启动过程中,获取参数的内存出现故障;验证参数值
      7180 Excessive braking 系统侦测到再生制动电阻的过度激活,请安装一个外部电阻
      7381 Zero mark error 系统检测到 Z 轴脉冲错误,请检查编码器电缆
      7382 Encoder error 系统检测到编码器错误,请检查编码器电缆
      7383 Motor Error, phase U 系统检测到电机 U 相断开,请检查电缆和电机的绝缘
      7384 Motor Error, phase V 系统检测到电机 V 相断开,请检查电缆和电机的绝缘
      7385 Motor Error, phase W 系统检测到电机 W 相断开,请检查电缆和电机的绝缘
      7386 Error DC-Link Low during
      motor phasing 无电源的情况下工作,请检查控制器
      7387 Encoder calibration error Z 轴校准程序错误,请检查编码器电缆
      7388 Error realignment Idx 系统检测到不正确的 A/B 信号和 Z信号之间偏移,请检查编码器电缆,并确保编码器牢固地连接到电机
      7389 Insufficient movement on
      phasing 没有检测相运动。请检查编码器电缆,并确保相电流足够
      738A Short circuit error, during
      phasing 检测到相短路,请检查电缆
      738B No Encoder calibration (IdxCal = -1) 未执行 Z 校准脉冲相位被启用,请检查 Z 校准执行情况
      738D Software Overcurrent
      during phasing 系统逐步检测到过电流,请检查电缆
      738E Alarm during phasing 检测到逐步报警,请联系制造厂商
      7399 Timeout during phasing
      stabilization 相程序已经超过了指定时间,请检查编码器电缆
      739A Error assessment of Load Moment of inertia 惯性自动调谐失败,请检查电缆连接和自动调谐参数
      739B Load Moment of inertia
      parameter storing error 惯性自动调谐失败,请检查电缆连接和自动调谐参数
      739C Auto-tuning error: Error
      assessment of Load inertia 惯性自动调谐失败,请检查电缆连接和自动调谐参数
      8780 Wrong interpolation time 检测到 CANopen 总线的同步时间与预先定义的周期时间不同。请检查控制器配置
    1. 伺服驱动器接线说明
      该伺服驱动器由以下电路板组合而成。
      • 逻辑板
      该电路板主要负责微型处理器的运算,控制信号的产生以及电机运行的监控与控制。
      • 编码器板
      该电路板提供了编码器的接口以及承担了编码器信息的通讯功能。
      • 功率板
      该电路板依据逻辑板产生的控制信号来驱动电机的运行,不同的设备所使用的功率板有所差异。
      该示例中推荐使用的电机为多摩川绝对值型编码器电机。
      a) 逻辑板简述
      逻辑板提供的接口位置处与设备背面的上方。从左向右依次为X1,XS,XDO,XDI,XAI,其命名依据于其所属功能。

    图表 32伺服驱动器背面概览
    X1: 逻辑板电源接口
    X1接口为逻辑板24V直流电源接口,其负责为整个逻辑板进行供电。
    注意:
    第二脚(中间位)为参考电位接脚,其亦被用作数字IO的参考电位,其内部接地引脚与接地脚(最右引脚)GND相连。以这种方式来实现共地效果。各个引脚功能说明如下:
    引脚 + + 24 Vdc: 供电电压
    引脚 - COM: 参考电位
    GND 接地: 请勿将功率板接地线连接此处
    注意: 在部分六轴机器人应用中,逻辑板可与功率板相连,但在该设备中,我们建议客户将逻辑板与功率板接地引脚通过散热片上的旋钮螺丝连接在设备散热片上,
    XS: STO (安全扭矩切断) 接口
    XS接口实现了对在需要情况下对电机PWM控制信号的切断与连接。
    S1 + S1 +: STO正向输入端
    警告: 必须通过急停按钮连接在24V电源上
    S1 - S1- COM: S1公共端
    警告: 必须接在0V上
    S2 + S2+: STO 正 向输入
    警告:必须通过急停按钮连接在24V电源上或串联在S1上
    S2 - S2+ COM: S2 公共端
    警告: 必须连接在0V上或S1公共端
    急停功能应采用双保险制。两个STO正向输入口均需按表所示与其进行连接。
    XDO: 数字输出
    XDO接口管理着共8个数字输出引脚。
    引脚 1 +24V_EXT. 数字输出供电口
    规格要求:
    电压范围 18V-32V
    最大容许电流 5A
    注意: 该接口并无防呆接功能。安全起见,可将该引脚与X1端口上的供电引脚相连。
    引脚2 OUT2. 数字输出口 2*. 该输出口用于控制制动器2 号通道信号
    引脚3 OUT4. 数字输出口 4*. 该输出口用于控制制动器4 号通道信号
    引脚4 OUT6. 数字输出口 6*. 该输出口用于控制制动器6 号通道信号
    引脚5 OUT8. 数字输出口 8*. 该输出口用于控制制动器8 号通道信号
    引脚6 OUT1. 数字输出口 1*. 该输出口用于控制制动器1 号通道信号
    引脚7 OUT3. 数字输出口 3*. 该输出口用于控制制动器3 号通道信号
    引脚8 OUT5. 数字输出口 5*. 该输出口用于控制制动器5 号通道信号
    引脚9 OUT7. 数字输出口 7*. 该输出口用于控制制动器7 号通道信号
    引脚10 GND 接地
    *每个数字输出口应遵循以下规格要求:
    电压范围 0V ~ 24V,
    最大输出电流 0.6A (内部限制)
    XDI: 数字输入信号接口
    XDI接口实现了数字信号输入功能。
    额定电压 24V.
    最大容许电流 1.85A.
    引脚 1 +24V 电压供应
    引脚2 DIN02. 数字输入 02
    引脚3 DIN04. 数字输入04
    引脚4 DIN06. 数字输入06
    引脚5 DIN08. 数字输入08
    引脚6 DIN10. 数字输入10
    引脚7 DIN12. 数字输入12
    引脚8 DIN01. 数字输入01
    引脚9 DIN03. 数字输入03
    引脚10 DIN05. 数字输入05
    引脚11 DIN07. 数字输入07
    引脚12 DIN09. 数字输入09
    引脚13 DIN11. 数字输入11
    引脚14 GND 接地
    如果使用24V电压信号作为输入信号则可将引脚1与14留空。
    XAI: 模拟信号输入
    XAI端口实现了对 -10V +10V电压信号和020mA电流信号的输入。
    引脚 1 +5V 电压供应
    引脚 2 AIN0+: 允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 3 AIN0-:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 4 AIN1+:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 5 AIN1-:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 6 AIN2+:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 7 AIN2-:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 8 AIN3+:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 9 AIN3-:允许 0~20mA信号, 可选-10~10V信号
    引脚 10 AIN4+: 允许 -10~10V信号
    引脚 11 AIN4-:允许 -10~10V信号
    引脚 12 AIN5+:允许 -10~10V信号
    引脚 13 AIN5-:允许 -10~10V信号
    引脚 14 AIN6+:允许 -10~10V信号
    引脚 15 AIN6-:允许 -10~10V信号
    引脚 16 AIN7+:允许 -10~10V信号
    引脚 17 AIN7-:允许 -10~10V信号
    引脚 18 GND接地
    逻辑板上有一个调节开关sw6用于设定模拟输入信号的类型。开关出厂设定为开,意味允许接受电流信号。须注明的是,该处开关在出厂时已经依据客户需要进行设定调节,客户请勿擅自开箱更改。

    图表 33:用于模拟信号调节的sw6开关
    b) 编码器板
    编码器板所提供接口如图所示。请注意的是一号编码器通道为下图中右起第一个通道命名为XE1。 XE6代指下图最左侧通道。
    编码器接口与电机借口的对应关系如图所示,并固定不变。需额外注明的是左侧的XM5,6与XE5,6通常用于需要大功率输出的电机,如六轴机器人的一二轴。

    图表 34:编码器接口概览
    编码器线缆与 DSUB15端口的连接
    为保证编码器线缆与DSUB15端口的正确连接,应参照如下图示进行接线。
    注意: 编码器只有在A4引脚的VBAT和B4引脚的正确连接后才能输出正确的位置信息。否则的话在多转情形下位置信息将遗失。

    图表 35编码器端口与编码器线缆的连接(仅限绝对值与endat编码器)
    DSUB15端口的引脚位置如下所示

    图表 36:DSUB15端口的引脚分布
    c) 功率板
    该功率板可根据逻辑板提供的控制信号对电机进行供能。在我们的伺服驱动器系列产品中共有三种不同的功率板,分别用于不同型号的设备。
    用于SCP-SD-6AX120型号产品的SF00918 功率板:接口标注 CN19

    图表 37:SF00918 功率板背面接口图示
    R: 用于单项电与三项电220Vrms电压输入
    S: 仅用于三项电220Vrms 电压输入
    T: 用于单项电与三项电220Vrms电压输入
    注意: 如表所示,所需的220V电压可通过以下两种方式获得
    • 单项电仅接R与T引脚
    • 三项电需接R,S,T三个引脚
    在大功率应用是应优先选用第二种接线方式, 因为在第二种方式下取得的DC-link 电压更加稳定。
    该功率板所供6个电机接口如图所示。

    图表 38:功率板电机接口
    如前所言,XM5和XM6接口与其右侧其他接口不同。因此该两个接口建议用于大功率应用,例如六轴机器人的一二两轴。 在这种情况下, 电机及编码器的连接顺序恰与原设定顺序相反。在接线时应注意保证电机接线与编码器接线的意义对应,如图黄线所示。
    用于SCP-SD-6AX010系列的SF00935功率板:供电接口X2
    该功率板可同时用于直流电压输入与交流电压输入。

    图表 39:SF00935功率板背面借口
    R 项引脚 用于单项电与三项电的220Vrms电压输入
    S 项引脚 仅用于三项电的220Vrms电压输入
    T 项引脚 用于单项电与三项电的220Vrms电压输入
    DC+引脚 直流电压正向输入端
    BK引脚 Brake IGBT collector
    DC-引脚 直流电压反向输入端
    注意: 如表所示,所需的220V电压可通过以下两种方式获得
    • 单项电仅接R与T引脚
    • 三项电需接R,S,T三个引脚
    在大功率应用是应优先选用第二种接线方式, 因为在第二种方式下取得的DC-link 电压更加稳定。
    该功率板所供6个电机接口如图所示。
    SH引脚 屏蔽线引脚
    PE引脚 接地线
    W引脚 电机W项
    V引脚 电机V项
    U引脚 电机U项

    图表 40:SF00935电机端口示图
    用于SCP-SD-4AX300系列的SF00667 功率板:电源端口X2
    SF00667功率板专用于四合一系列伺服驱动器,其适用于直流电压输入与交流电压输入。

    图表 41:SF00667型功率板电源借口
    BK引脚 Brake IGBT collector
    DC+引脚 正向电压输入端
    R/L引脚 用于单项电与三项电 220Vrms输入
    S引脚 仅用于三项电 220Vrms输入
    T/N引脚 用于单项电与三项电 220Vrms输入
    其电机端口示图与SF00935相近,图示中最左侧两个编码器通道不可用。

    图表 42:SF00935电机接口释义

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  • 德力西产品说明.pdf

    2019-10-10 18:41:58
    为了确保您的人身、设备及财产安全,在使用我公司的CDI9600系列小功率矢量变频器之前,请务必仔细阅读本章内容。说明书中有关安全运行的注意事项分类成“警告”和“注意”。       :指出潜在的危险情况,如果...
  • 降低功率 MOSFET损耗(硬件篇)

    千次阅读 2020-08-15 18:50:24
    一、功率MOSFET应用中,功率损耗将导致热产生,主要由通态损耗、开关损耗组成,.这也是工程师在应用中主要针对优化的地方,本文中 赛力康 工程师/加Scilicon001将根据损耗的所有组成,探讨降低每一种功耗...4、关断过程

    一、功率MOSFET应用中,功率损耗将导致热产生,主要由通态损耗、开关损耗组成,.这也是工程师在应用中主要针对优化的地方,本文中 赛力康 工程师/加Scilicon001将根据损耗的所有组成,探讨降低每一种功耗的可行性方案。
    功率损耗的降低,可以从硬件、软件两个层面着手。本文先聊聊硬件层面的降损耗方案。首先 赛力康 工程师/加Scilicon001总结以下组成损耗的8个部分(详细内容会整理文章另行讨论-功率MOSFET的损耗)∶
    1、导通功率损耗;
    2、截止功率损耗;
    3、开启过程功率损耗;
    4、关断过程功率损耗;
    5、驱动功率损耗;
    6、Coss电容泄放损耗;
    7、寄生二极管正向导通焊耗∶SC
    8、寄生二极管反向恢复毛私
    二、赛力康工程师对以下可行性方案探讨
    本节 赛力康 工程师/加Scilicon001 将针对前文提到的8个损耗组成部分,逐一探讨硬件层面降低损耗的可行性。
    1、导通功率损耗
    导通功率损耗主要来源于功率电流在通态电阻Rds((on)上产生的热。先回顾计算公式∶Pon=IDSrms2Rds(on)KDon
    从公式来看,漏极电流IDS和温度系数K不变的前提下,降低通态损耗的方式/只有降低通态电阻Rds(on)和减小占空比。
    电机控制中,占空比改变影响转矩输出,这涉及控制性能,需要综合考量,这里关注通态电阻的减小。
    功率MOSFET的损耗文章会提到,通态电阻Rds(on)受温度和载流子浓度影响。那么可以从两方面来降低通态电阻∶
    A、优化器件本身的设计及工艺;
    B、优化外部散热。
    相比于VDMOS,Trench MOSFET拥有更低的导通电阻、更大的导通电流和更快的开关速度,在中低压领域应用更为广泛。
    导通电阻与芯片面积成反比,但增加芯片面积降低导阻,成本的提升往往是商业类产品不能允许的;而引入少数载流子导电,可以降低导通压降,但开关速度将受影响且出现拖尾电流、开关损耗增加。
    所以针对Rds(on)的优化,对硬件应用工程师来说, 赛力康 工程师/加Scilicon001 建议一般从如下两个方面优化∶在设计选型阶段,综合考量的情况下,尽量选择小的Rds(on)的MOSFET;注重散热器的设计,完全导通状态下,Rds(on)为正温度系数(原因后续会整理系列文章∶功率MOSFET损耗篇之五宗罪)
    2、截止功率损耗
    截止损耗来源于漏电流IDSS造成的损耗,先了解漏电流如何产生。根据PN结的伏安特性曲线,当加反向电压时,在第三象限,有一段不随电压变化的电流段(温度不变的情况下),该段即为PN结的反向饱和电流。根据前文MOSFET结构,漏源之间是两个PN结,那么就不可避免出现反向饱和电流的情况,也就产生所说的漏电流。
    从上文PN结的伏安特性曲线可知,在一定范围内,饱和漏电流的大小与电压无关,与温度相关。所以针对截止功率损耗,可以在MOS选型阶段,关注反向饱和漏电流这一指标。另一方面,温度对其影响较大,所以保证系统在停机截止状态时,热量能够散出,就几乎能够忽略该损耗了。
    3、开启过程功率损耗
    开启过程损耗是由于MOSFET开启过程中逐渐下降的漏源电压VDS与逐渐上升的漏源电流IDS交叉重叠部分造成的能量损耗。
    从波形来寻找降低损耗的方法,即减小交汇处的面积Poff-on!
    应用中可以通过如下方式优化∶
    1)调节开通速度
    提到开通损耗降低,开启速度往往会成为大家首先调节的对象。降低门极驱动电阻,减小门极电容是最直接有效的方式。另一方面,保证驱动电压在额定范围内,越高开通速度越快。
    需要注意的是过快的开通,会导致电流的快速上升,由于杂散电感的存在,会产生较高的电压尖峰,从而损坏器件,所以需要综合考量开通速度。
    2)软开启电路
    软开启电路主要是错开电压和电流峰值交汇,让电流升高到较高值之前,电压值已经/快要降低到0V了,通过适配电路,实现ZVS a(零电压开通)、ZCS(零电流开通)
    针对开通阶段的ZVS与ZCS,需要关注以下问题∶零电流开通∶
    零电流开通主要是利用DCM模式下,电感电流不能突变,从而实现MOS开通时漏极电感电流为零。但是零电流开通不能消除漏极电荷损耗。在CCM模式下,零电流开通必须要通过辅助开关来实现(至少两个开关协同工作)。零电压开通∶
    零电压开通主要通过辅助电路将Cds+Cgd上的电荷实现转移走,从而消除开通损耗和"漏极电荷损耗。
    LLC谐振∶
    LLC谐振软开关是传统软开关的最佳实践,通过几个开关之间的协作,以及增加辅助电感和电容,达到MOS的零电压开关,从而基本消除了了开关损耗和漏极电荷损耗。但是不可避免的,为实现零电压关断需要在漏源之间并联很大的电容来吸收关断电流,从而在/大电流应用中导致巨大的能量在辅助电感和辅助电容组成的网络中震荡。由于电源满载与/轻载时漏极存储的电荷量不同,所以为了满足固定的谐振频率,PWM控生器必须变频工作。
    4、关断过程功率损耗
    关断过程损耗是由于MOSFET关断过程中逐渐下降的漏源电流IDS与逐渐上升的漏源电压VDS 交叉重叠部分造成的能量损耗。
    赛力康 工程师/加Scilicon001 认为同开启过程优化方式一样,从波形来寻找降低关断损耗的方法,也是减小交汇处的面积PoN oFF!且波形类似,所以优化方式也相同,即∶
    1)调节关断速度
    2)软关断电路
    关断速度的调节同开通速度的调节一样,主要从门极的驱动参数和驱动电源等方面优化。而针对关断阶段的ZVS与ZCS, 赛力康 工程师/加Scilicon001提醒需要关注以下问题∶
    零电压关断
    零电压关断主要是利用电容电压不能突变的特性,将MOS管上的电流转移到Cds中去,从而保证MOS电流为零时Vds仍然保持一个比较低的值,降低关断损耗。但是这带来一个问题,在大电流情况下为钳位Vds必须保证Cds足够大,而过大的Cds实际上是将关断损耗转移。到漏极电荷损耗中。
    零电流关断∶
    通常MOS的零电流关断不容易很直观的实现,除非事先将MOS上的电流转移到其他的地方(通常需要辅助开关协同实现)。事实上,零电压关断最终也会达成零电流关断(相当于MOS上的电流被转移到Cds中了)
    如果使用了辅助开关,则需要注意MOSFET的误导通问题。
    5、驱动功率损耗
    如右图所示,为常见的驱动回路电路。驱动损耗,指栅极接受驱动电源进行驱动造成的损耗。
    驱动方式不一致,驱动效率则会存在差/异,同样的驱动输出功率条件下,造成的损耗。也会不同。如下的计算公式则得出了同一器件应用时,驱动功率损耗的最大值∶
    PGS= VGS
    Qgfs
    根据公式寻找降低其损耗方式,需要在设计阶段,关注三个变量∶
    1)器件的Qg值;
    2)驱动电压设定;
    3)工作频率。
    赛力康 工程师/加Scilicon001 提醒需要注意,不能为降低损耗,选择较小的参数,否则会对系统其他性能产生影响。比如驱动电压VGS这一参数,数值偏小,只要高于阈值电压,器件仍能导通,但是却可能使器件工作于半导通状态,此时通态损耗会很大,影响系统性能。若选型’时,选择Qg较小的器件,则会导致器件更容易达到开启条件,误导通风险增加。
    一般来说驱动损耗不会太大,设计时不用刻意减小它而影响其他性能,如果一定需要优化,最好/的思路是提升驱动效率。因为图腾柱驱动、光耦隔离驱动、变压器隔离驱动效率是不同的,因而驱动损耗(即驱动电路发热)是不同的。不同的驱动IC、不同的设计水平是不同的,也会针对该损耗有优化的可能。
    6、Coss电容泄放损耗
    指输出电容Coss在MOSFET截止期间存储的电场能,在MOSFET导通期间,在漏源极上的泄放损耗。
    实际过程中,由于Coss影响,大部分电流从MOSFET中流过,流过Coss的非常小,甚至可以忽略不计,因此Coss的充电速度非常慢,电流VDS上升的速率也非常慢。即∶
    因为Coss的存在,在关断的过程中,由于电容电压不能突变,因此VDS的电压一直维持在较低的电压,功率损耗很小。
    因为Coss的存在,在开启的过程中,电容电压不能突变,因此VDS的电压一直维持在较高的电压,实际的功率损耗很大。
    Coss泄放损耗计算公式为∶
    PDS=1/2
    VDS2Cossfs
    Coss放电产生的损耗主要在开通阶段,和容值、频率成正比,和电压的平方成正比。在功率MOSFET的数据表中,Coss对应产生的功耗就是Eoss。
    应用设计优化的方向主要还是从Coss电容入手。其由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd组成,但一般很难优化Cgd,因为其往往在模块或单管成型时就已经成定直了,且还与Cgs构成Ciss输入电容,对其改变会影响米勒平台的情况。
    所以主要是针对Cds做优化,根据实际测试效果,选择并联合适的Cds电容,既不能为了吸收尖峰而并联过大的Cds,因为其存储的能量在开通阶段会大/量释放,导致损耗增加,甚至导致谐振,影响正常的性能。也不能为了减小损/想耗,而过于减小电容,否则电压尖峰将会很头疼。需要根据实际应用环境找到最A优值。
    7、寄生二极管正向导通损耗
    寄生二极管正向导通损耗不可忽视,特别是在大电流应用环境中,该损耗必须严格把控。
    此处损耗主要发生在功率器件续流期间,,如右图所示。
    计算公式如下∶
    Pd_f=IF"VDF
    t3*fs
    IF为二极管正向电流,VDF为二极管正向导通压降,t3为二极管正向续流时间。
    从应用层面考虑,主要从VDF优化该损耗,在设计选型阶段,选择VDF低的器件。
    另外可以外部搭建电路,即不使用模块寄生二极管续流,外部加电路,使用外部二极管续流,使续流阶段产生的损耗不叠加到功率器件上,从而提升器件的使用性能,如左图所示电路。但需要注意的是,由于D2的存在,将会使导通损耗增加,虽然增加的损耗也并未叠加到MOSFET上,但整个系统的效率会因此降低,且D1、D2的选型及散热处理会比较费脑筋,只推荐在部分应用场景中使用该电路。
    8、寄生二极管反向恢复损耗ve
    反向恢复就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽,恢复成截止状态的过程。完成该过程需要的能量便是损耗的构成。→
    右图所示为反向恢复阶段电流的功率器件内电流的方向,Irss即为反向恢复电流,此阶段流过下桥的电流为电感电流与上桥反向恢复电流之和。表现到下桥的电流波形,则是会在下桥开启处,出现一个电流尖峰。其大小受开启速度影响。此处主要优化的是Irss变为0之前其造成的损耗。
    反向恢复过程有一个参数尤为关键∶trr(反向恢复时间)。其影响功率MOSFET的安全工作区。
    反向恢复时间过长,将导致反向恢复损耗增大,更为严重的影响是影响工作频率,因为时间过长,导致预留的死区必须更大,才能保证安全。
    反向恢复时间过短,则额定电流下,di/dt会变得很大,由于杂感存在,会导致反向恢复阶段产生很高的尖峰,从而损坏器件。
    针对反向恢复阶段的损耗, 赛力康 工程师/加Scilicon001建议可以从以下三个方面来优化∶
    1)控制合适的开关速度来控制反向恢复时间以降低损耗及使器件工作在安全区域;2)同时优化布线,减少杂感,可以对损耗降低起很大的作用。
    )当前面两种办法优化后,还需要优化的时候, 赛力康 工程师/加Scilicon0011建议选择恢复特性较软的MOSFET。
    三、总结
    要给功率MOSFET降温,减少其损耗,经过前文探讨,硬件降温主要分为应用层面和MOSFET产品两个层面去优化∶
    1、MOSFET产品层面∶
    1)降低Rds(on);
    2)优化寄生电容Cgd;
    3)优化寄生二极管导通压降;
    4)优化寄生二极管反向恢复软度;
    5)优化MOSFET产品内部杂散电感。
    2、应用层面∶
    1)优化开关速度;2)提升驱动效率3)优化Cds吸收电容参数;
    4)优化布局走线,减小外部杂散电感;
    5)注重散热设计,防止受温度影响大的参数改变,导致损耗增加;
    6)一些特殊使用场合,为保护器件,可以使用特殊电路来转移
    耗。如ZVS/ZCS电路、外部二极管续流电路等。

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  • 电力电子技术答案第五版(全)

    千次阅读 2021-06-03 11:52:37
    怎样才能使晶闸管由导通变为关断? 答:维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流,即维持电流。 1.3 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为Im ,...

    子电力课后习题答案

    第一章 电力电子器件

    1.1 使晶闸管导通的条件是什么?

    答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受正相阳极电压,并在门极施加触发电流(脉冲)。或者UAK >0且UGK>0

    1.2 维持晶闸管导通的条件是什么?怎样才能使晶闸管由导通变为关断?

    答:维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流,即维持电流。

    1.3 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为Im ,试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。

    3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

    1.6.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏?

    答:电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压,所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏,应注意以下几点:

    ①一般在不用时将其三个电极短接;

    ②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地,测试时所有仪器外壳必须接地;

    ③电路中,栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高;

    ④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。

    1.7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点?

    答:IGBT驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻,ⅠGBT是电压驱动型器件,IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

    GTR驱动电路的特点是:驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过冲,这样可加速开通过程,减小开通损耗;关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。

    GTO驱动电路的特点是:GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。

    电力MOSFET驱动电路的特点:要求驱动电路具有较小的输入电阻,驱动功率小且电路简单。

    1.8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。

    答:全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,du/dt或过电流和di/dt,,减小器件的开关损耗。

    RCD缓冲电路中,各元件的作用是:开通时,Cs经Rs放电,Rs起到限制放电电流的作用;关断时,负载电流经VDs从Cs分流,使du/dt减小,抑制过电压。

    1.9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

    解:对ⅠGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:

    器件

    优点

    缺点

    IGBT

    开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态压降较低,输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小。

    开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO 。

    GTR

    耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低。

    开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题。

    GTO

    电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强。

    电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低。

    电力MOSFET

    开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题。

    电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

    1.10什么是晶闸管的额定电流?

    答:晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流,国标规定:是晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。

    1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律du/dt?

    答:正向电压在阻断状态下,反向结J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大,就会有过大的充电电流,此电流流过J3,起到触发电流的作用,易使晶闸管误触发,所以要限制du/dt。

    1.12.为什么要限制晶闸管导通电流上升率di/dt?

    答:在晶闸管导通开始时刻,若电流上升过快,会有较大的电流集中在门集附近的小区域内,虽然平均电流没有超过额定值,但在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管,所以要限制通态di/dt。

    1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些?

    答:产生原因:

    1、由分闸、合闸产生的操作过电压;

    2、雷击引起的雷击过电压;

    3、晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管换相过程中产生的换相电压。

    措施:

    压敏电阻,交流侧RC抑制电路,直流侧RC控制电路,直流侧RC抑制电路,变压器屏蔽层,避雷器,器件关断过电压RC抑制电路。

    2. 2图1为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明:

    晶闸管承受的最大反向电压为2

    U2;

    当负载是电阻或电感时,其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。

    答:具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中,在正负半周上下绕组中的电流方向相反,波形对称,其一个周期内的平均电流为零,故不存在直流磁化的问题。

    以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。

    ①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时,晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联,所以VT2承受的最大电压为2

    )期间,单相全波电路中VTl导通,单相全控桥电路中VTl、VT4导通,输出电压均与电源电压U2相等;

    )期间,单相全波电路中VT2导通,单相全控桥电路中VT2、VT3导通,输出波形等于-U2。

    可见,两者的输出电压相同,加到同样的负载上时,则输出电流也相同。

    2.3.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=20

    ,L值极大,当

    =

    时,要求:

    ①作出Ud、Id、和I2的波形;

    ②求整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次电流有效值I2;

    ③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。

    解:①Ud、Id、和I2的波形如下图:

    ②输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次电流有效值I2分别为:

    Ud=0.9U2cos

    =0.9×100×cos

    =77.97(V)

    Id=Ud/R=77.97/2=38.99(A)

    I2=Id=38.99(A)

    ③晶闸管承受的最大反向电压为:

    U2=100

    =141.4(V) -

    考虑安全裕量,晶闸管的额定电压为:

    UN=(2~3)×141.4=283~424(V)

    具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

    流过晶闸管的电流有效值为:

    IVT=Id/

    =27.57(A)

    晶闸管的额定电流为:

    IN=(1.5~2)×27.57/1.57=26~35(A)

    具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

    2.4.单相桥式半控整流电路,电阻性负载,画出整流二极管在一周内承受的电压波形。

    解:注意到二极管的特点:承受电压为正即导通。因此,二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段,交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下:

     

    2.5.单相桥式全控整流电路,U2 =100V,负载R=20

    ,L值极大,反电势E=60V,当

    时,要求:

    ①作出Ud、Id和I2的波形;;

    ②求整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次侧电流有效值I2;

    ③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。

    解:①Ud、Id和I2的波形如下图:

     

    ②整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次测电流有效值I分别为:

    Ud=0.9U2cos

    =O.9×100×cos

    =77.97(V)

    Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A)

    I2=Id=9(A)

    ③晶闸管承受的最大反向电压为:

    U2=100

    =141.4(V)

    流过每个晶闸管的电流有效值为:

    IVT=Id/

    =6.36(A)

    故晶闸管的额定电压为:

    UN=(2~3)×141.4=283~424(V)

    晶闸管的额定电流为:

    IN=(1.5~2)×6.36/1.57=6~8(A)

    晶闸管额定电压和电流的具体敢值可按晶闸管产品系列参数选取。

    2.6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管),电路如图2所示,U2=100V电阻电感负载,,R=20,L值很大,当

    =求流过器件电流的有效值,并作出Ud、Id、IVT、ID的波形。

    解:Ud、Id、IVT、ID的波形如下图:

     

    负载电压的平均值为

    Ud=

     

    负载电流的平均值为

    Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A)

    流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为

    IVT=

    19.49(A)

    流过二极管VD3、VD4的电流有效值为

    IVD=

    =27.56(A)

    2.7.在三相半波整流电路中,如果a相的触发脉冲消失,试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压Ud的波形。

    解:假设

    =

    ,当负载为电阻时,Ud的波形如下:

     

    当负载为电感时,Ud的波形如下:

     

    2.8.三相半波整流电路,可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法,每段的电动势相同,其分段布置及其矢量如图所示,此时线圈的绕组增加了一些,铜的用料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化,为什么?

     

    图 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图

    答:变压器铁心不会被直流磁化。原因如下:

    变压器二次绕组在一个周期内,当a1c2对应的晶闸管导通时,al的电流向下流,c3的电流向上流;当clb2对应的晶闸管导通时,cl的电流向下流,b2的电流向上流;当bla2对应的晶闸管导通时,bl的电流向下流,a2的电流向上流;就变压器的一次绕组而言,每一周期中有两段时间(各为

    )有电流流过,流过的电流大小相等而方向相反,故一周期内流过的电流平均值为零,所以变压器铁心不会被直流磁化。

    2.9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点吗?如果不是,它们在相位上差多少度?

    答:三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差

    2.10.有两组三相半波可控整流电路,一组是共阴极接法,一组是共阳极接法,如果它们的触发角都是

    ,那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说,例如都是a相,在相位上差多少度?

    12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电压Ud波形如何?如果有一个晶闸管被击穿而短路,其他晶闸管受什么影响?

    答:假设VTl不能导通,整流电压波形如下:

     

    假设VT1被击穿而短路,则当晶闸管VT3或VT5导通时,将发生电源相间短路,使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

    2.13.三相桥式全控整流电路,U2 =100V,带电阻电感负载R=50

    ,L值极大,当

    =

    时,要求:

    ①画出Ud、Id和IVT1的波形

    ②计算Ud、Id、IdT和IVT

    解:①Ud、Id和IVT1的波形如下:

     

     

    2.16.单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有哪些次数的谐波?其中幅值最大的是哪一次?变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波?其中主要的是哪儿次?

    答:单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有2K (K=l、2、3…)次谐波,其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2K+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波,其中主要的有3次、5次谐波。

    2.17.三相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有哪些次数的谐波?其中幅值最大的是哪一次?变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波?其中主要的是哪几次?

    答:三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、2、3……)次的谐波,其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6K+l(K=l、2、3……)次的谐波,其中主要的是5、7次谐波。

    2.18.试计算第2.3题中I2的3、5、7次谐波分量的有效值I23,I25,I27

    解:在第3题中己知电路为单相全控桥,其输出电流平均值为

    Id=38.99 (A)

    于是可得:

    6.试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理,并比较其异同点。

    答:升降压斩波电路的基本原理:当可控开关V处于通态时,电源E经V向电感L供电使其贮存能量,此时电流为

    ,方向如图。3-4中所示。同时,电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后,使V关断,电感L中贮存的能量向负载释放,电流为i2,方向如图3-4所示。可见,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反。

    稳态时,一个周期T内电感L两端电压

    对时间的积分为零,即

    当V处于通态期间,

    =E:而当V处于断态期间

    。于是:

     

    改变导通比,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0<

    <l/2时为降压,当l/2<

    <l时为升压,因此将该电路称作升降压斩波电路。

    Cuk斩波电路的基本原理:当V处于通态时,E—

    —V回路和R—

    -C—V回路分别流过电流。当V处于断态时,

    和R-

    -VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图3-5b所示,相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

    假设电容C很大使电容电压

    的脉动足够小时。当开关S合到B点时,B点电压

    =0,A点电压

    ;相反,当S合到A点时,

     

    。因此,B点电

    的平均值为

    (Uc为电容电压“c的平均值),又因电感Ll的电压平均值为零,所

    。另一方面,A点的电压平均值为

    ,且

    的电压平均值为零,按图3—5b中输出电压Uo的极性,

    。于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系:

    两个电路实现的功能是一致的,均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,其输入电源电流和输出负载电流都是连续的,且脉动很小,有利于对输入、输出进行滤波。

    7.试绘制Speic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图,并推导其输入输出关系。

    解:Sepic电路的原理图如下:

    当电路工作于稳态时,电感L、L的电压平均值均为零,则下面的式子成立

     

    8.分析图3-7a所示的电流可逆斩波电路,并结合图3-7b的波形,绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。

    解:电流可逆斩波电路中,Vl和VDl构成降压斩波电路,由电源向直流电动机供电,电动机为电动运行,工作于第l象限:V2和

    构成升压斩波电路,把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源,使电动机作再生制动运行,工作于第2象限。

    图3-7b中,各阶段器件导通情况及电流路径等如下:

     

    导通,电源向负载供电:

     

    9.对于图3-8所示的桥式可逆斩波电路,若需使电动机工作于反转电动状态,试分析此时电路的工作情况,并绘制相应的电流流通路径图,同时标明电流流向。

    解:需使电动机工作于反转电动状态时,由V3和VD3构成的降压斩波电路工作,此时需要V2保持导通,与V3和VD3构成的降压斩波电路相配合。

    当V3导通时,电源向M供电,使其反转电动,电流路径如下图:

    当V3关断时,负载通过VD3续流,电流路径如下图:

    10.多相多重斩波电路有何优点?

    答:多相多重斩波电路因在电源与负载间接入了多个结构相同的基本斩波电路,使得输入电源电流和输出负载电流的脉动次数增加、脉动幅度减小,对输入和输出电流滤波更容易,滤波电感减小。

    此外,多相多重斩波电路还具有备用功能,各斩波单元之间互为备用,总体可靠性提高。

    第4章 交流电力控制电路和交交变频电路

    4.1一台调光台灯由单相交流调压电路供电,设该台灯可看作电阻负载,在

    =0°时输出 功率为最大值,试求功率为最大输出功率的80%、50%时的开通角

    4.3交流调压电路和交流调功电路有什么区别?二者各运用于什么样的负载?为什么?

    答::交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同,二者的区别在于控制方式不同。

    交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个波,再断开几个周波,通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

    交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动,也用于异步电动机调速。在供用电系统中,还常用于对无功功率的连续调节。此外,在高电压小电流或低电压大电流直流电源中,也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路,高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联;同样,低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压,其电压电流值都不太大也不太小,在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。

    交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大,没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。

    4.4. 什么是TCR,什么是TSC?它们的基本原理是什么?各有何特点?

    答:TCR是晶闸管控制电抗器。TSC是晶闸管投切电容器。

    二者的基本原理如下:

    TCR是利用电抗器来吸收电网中的无功功率(或提供感性的无功功率),通过对晶闸管开通角角

    的控制,可以连续调节流过电抗器的电流,从而调节TCR从电网中吸收的无功功率的大小。

    TSC则是利用晶闸管来控制用于补偿无功功率的电容器的投入和切除来向电网提供无功功率(提供容性的无功功率)。

    二者的特点是:

    TCR只能提供感性的无功功率,但无功功率的大小是连续的。实际应用中往往配以固定电容器(FC),就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。

    TSC提供容性的无功功率,符合大多数无功功率补偿的需要。其提供的无功功率不能连续调节但在实用中只要分组合理,就可以达到比较理想的动态补偿效果。

    4.5单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同?

    答:单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的,均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同。

    单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电,通常用于交流电动机传动,两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里,交替工作各半个周期,从而输出交流电。

    而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电,两组可控整流路中哪丁组工作并没有像交交变频电路那样的固定交替关系,而是由电动机工作状态的需要决定。

    4.6.交交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?

    答:一般来讲,构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多,最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时,最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz时,交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。

    当输出频率增高时,输出电压一周期所包含的电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。

    4.7交交变频电路的主要特点和不足是什么?其主要用途是什么?

    答:交交变频电路的主要特点是:

    只用一次变流效率较高;可方便实现四象限工作,低频输出时的特性接近正弦波。

    交交变频电路的主要不足是:

    接线复杂,如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管;受电网频率和变流电路脉波数的限制,输出频率较低;输出功率因数较低;输入电流谐波含量大,频谱复杂。

    主要用途:500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路,如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。

    4.8.三相交交变频电路有那两种接线方式?它们有什么区别?

    答:三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。

    两种方式的主要区别在于:

    公共交流母线进线方式中,因为电源进线端公用,所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此,交流电动机三个绕组必须拆开,共引出六根线。

    而在输出星形联结方式中,因为电动机中性点和变频器中中性点在一起;电动机只引三根线即可,但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起,其电源进线必须隔离,因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。

    4.9.在三相交交变频电路中,采用梯形波输出控制的好处是什么?为什么?

    答:在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以改善输入功率因数。

    因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波,在线电压中,三次谐波相互抵消,结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中,因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域(对应梯形波的平顶区),

    角较小,因此输入功率因数可提高15%左右。

    4.10..试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前景?

    答:矩阵式变频电路的基本原理是:

    对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制,使输出成为正弦交流输出。

    矩阵式变频电路的主要优点是:输出电压为正弦波;输出频率不受电网频率的限制;输入电流也可控制为正弦波且和电压同相;功率因数为l,也可控制为需要的功率因数;能量可双向流动,适用于交流电动机的四象限运行;不通过中间直流环节而直接实现变频,效率较高。

    矩阵式交交变频电路的主要缺点是:所用的开关器件为18个,电路结构较复杂,成本较高,控制方法还不算成熟;输出输入最大电压比只有0.866,用于交流电机调速时输出电压偏低。

    因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能,使输出电压和输入电流均为正弦波,输入功率因数为l,且能量双向流动,可实现四象限运行;其次,和目前广泛应用的交直交变频电路相比,虽然多用了6个开关器件,却省去直流侧大电容,使体积减少,且容易实现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异,矩阵式变频电路将有很好的发展前景。

    第5章 逆变电路

    5.l.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同?

    答:两种电路的不同主要是:

    有源逆变电路的交流侧接电网即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

    5.2.换流方式各有那儿种?各有什么特点?

    答:换流方式有4种:

    器件换流:利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。

    电网换流:由电网提供换流电压,只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。

    负载换流:由负载提供换流电压,当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时,可实现负载换流。

    强迫换流:设置附加换流电路,给欲关断的晶闸管强追施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现,也称电容换流。

    晶闸管电路不能采用器件换流,根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。

    5.3.什么是电压型逆变电路?什么是电流型逆变电路?二者各有什么特点?

    答:按照逆变电路直流测电源性质分类,直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路,直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要持点是:

    ①直流侧为电压源或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。

    ②由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

    ③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

    电流型逆变电路的主要特点是:

    ①直流侧串联有大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。

    ②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。

    ③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流测电惑起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

    5.4.电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么?为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管?

    答:在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通,而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。

    在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。

    5.5.三相桥式电压型逆变电路,180º导电方式,Ud=100V 。试求输出相电压的基波幅值UUN1m 和有效值UUN1﹑输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值 UUV1﹑输出线电压中5次谐波的有效值UUV5 。

    解:

    5.6.并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相,为保证换相应满足什么条件?

    答:假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通,负载电压u。就通过VT2、VT3施加在VTl、VT4上,使其承受反向电压关断,电流从VTl、VT4向VT2、VT3转移,触发VT2、VT3时刻必须在u。过零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完成。

    5.7.串联二极管式电流型逆变电路中,二极管的作用是什么?试分析换流过程。

    答:二极管的主要作用,一是为换流电容器充电提供通道,并使换流电容的电压能够得以保持,为晶闸管换流做好准备;二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上,使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压,确保晶闸管可靠关断,从而确保晶闸管换流成功。

    以VTl和VT3之间的换流为例,串联二极管式电流型逆变电路的换流过程可简述如下:

    给VT3施加触发脉冲,由于换流电容C13电压的作用,使VT3导通而VTl被施以反向电压而关断。直流电流Id从VTl换到VT3上,C13通过VDl、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电,如图5-16b所示。因放电电流恒为Id,故称恒流放电阶段。在C13电压Uc13下降到零之前,VTl一直承受反压,只要反压时间大于晶闸管关断时间tq,就能保证可靠关断。

    Uc13降到零之后在U相负载电感的作用下,开始对C13反向充电。如忽略负载冲电阻的压降,则在Uc13=0时刻后,二极管VD3受到正向偏置而导通,开始流过电流,两个二极管同时导通,进入二极管换流阶段,如图5-16c所示。随着C13充电电压不断增高,充电电流逐渐减小,到某一时刻充电电流减到零,VDl承受反压而关断,二极管换流阶段结束。之后,进入VT2、VT3稳定导通阶段,电流路径如图5-16d所示。

    5.8..逆变电路多重化的目的是什么?如何实现?串联多重和并联多重逆变电路备用于什么场合?

    答:逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高,二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波,还是电流型逆变电路输出的矩形电流波,都含有较多谐波,对负载有不利影响,采用多重逆变电路,可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。

    逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来,并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。

    串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。

    并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。

    第6章 PWM控制技术

    6. l.试说明PWM控制的基本原理。

    答:PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

    在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

    以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等分,就可把其看成是N个彼此相连的脉 冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于

    /N,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。可见,所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

    6.4特定谐波消去法的基本原理是什么?设半个信号波周期内有10个开关时刻(不含0和p时刻)可以控制,可以消去的谐波有几种?

    答:首先尽量使波形具有对称性,为消去偶次谐波,应使波形正负两个半周期对称,为消去谐波中的余弦项,使波形在正半周期前后1/4周期以

    /2为轴线对称。

    考虑到上述对称性,半周期内有5个开关时刻可以控制。利用其中的l个自由度控制 基波的大小,剩余的4个自由度可用于消除4种频率的谐波。

    6.5.什么是异步调制?什么是同步调制?两者各有何特点?分段同步调制有什么优点?

    答:载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中,通常保持载波频率fc固定不变,因而当信号波频率fr变化时,载波比N是变化的。

    异步调制的主要特点是:

    在信号波的半个周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的 脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

    这样,当信号波频率较低时,载波比较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小,PWM波形接近正弦波。

    而当信号波频率增高时,载波比N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大,有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说,三相输出的对称性也变差。

    载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

    同步调制的主要特点是:

    在同步调制方式中,信号波频率变化时载波比N不变,信号波一个周期内输出的脉冲 数是固定的,脉冲相位也是固定的。

    当逆变电路输出频率很低时,同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来 的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。

    当逆变电路输出频率很高时,同步调制时的载波频率fc会过高,使开关器件难以承受。

    此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些。

    分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段,每个频段的载波比一定,不同 频段采用不同的载波比。其优点主要是,在高频段采用较低的载波比,使载波频率不致过 高,可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致 过低而对负载产生不利影响。

    6.6什么是SPWM波形的规则化采样法?和自然采样法比规则采样法有什么优点?

    答:规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。规则采样法的基本思路是:取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点(即负峰点)重合,在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值,用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波,用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点,即可得出控制功率开关器件通断的时刻。

    比起自然采样法,规则采样法的计算非常简单,计算量大大减少,而效果接近自然采样法,得到的SPWM波形仍然很接近正弦波,克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算,在工程中实际应用不多的缺点。

    6.7如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率?

    答:采用梯形波控制方式即用梯形波作为调制信号,可以有效地提高直流电压的利用率。

    对于三相PWM逆变电路,还可以采用线电压控制方式即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等,同样可以有效地提高直流电压利用率。

    6.8.什么是电流跟踪型PWM变流电路?采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点?

    答:电流跟踪型PWM变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是不用信号波对载波进行调制,而是把希望输出的电流作为指令信号,把实际电流作为反馈信号,通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断,使实际的输出跟踪电流的变化。

    采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点:

    ①硬件电路简单;

    ②属于实时控制方式,电流响应快;

    ③不用载波,输出电压波形中不含特定频率的谐波分量;

    ④与计算法和调制法相比,相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多;

    ⑤采用闭环控制。

    6.9.什么是PWM整流电路?它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同?

    答:PWM整流电路就是采用PWM控制的整流电路,通过对PWM整流电路的适当控制,可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位,功率因数接近l。

    相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制,属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量,且交流输入电流相位滞后于电压,总的功率因数低。

    PWM整流电路采用SPWM控制技术为斩控方式。其基本工作方式为整流,此时输 入电流可以和电压同相位,功率因数近似为l。

    PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动,既可以运行在整流状态,从交流侧向直流侧输送能量;也可以运行在逆变状态,从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可以在单位功率因数下运行。

    此外,还可以使交流电流超前电压

    ,交流电源送出无功功率,成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度

    6.10在PWM整流电路中,什么是间接电流控制?什么是直接电流控制?

    答:在PWM整流电路中,间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM整流器输入端电压的相量关系来进行控制,使输入电流获得预期的幅值和相位,由于不需要引入交流电流反馈,因此称为间接电流控制。

    直接电流控制中,首先求得交流输入电流指令值,再引入交流电流反馈,经过比较进行跟踪控制,使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制。

    第7章 软开关技术

    1.高频化的意义是什么?为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量?为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量?

    答:高频化可以减小滤波器的参数,并使变压器小型化,从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化,轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率,周期变短,可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小,从而减轻了滤波器的体积和重量;对于变压器来说,当输入电压为正弦波时,

    ,当频率

    提高时,可减小N、S参数值,从而减小了变压器的体积和重量。

    2.软开关电路可以分为哪几类?其典型拓扑分别是什么样子的?各有什么特点?

    答:根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态.可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类:根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路,零开关PWM电路和零转换PWM电路。

    准谐振电路:准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波,电路结构比较简单,但谐振电压或谐振电流很大,对器件要求高,只能采用脉冲频率调制控制方式。

    零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路的基本开关单元

    零开关PWM电路:这类电路中引入辅助开关来控制谐振的开始时刻,使谐振仅发生于开关过程前后,此电路的电压和电流基本上是方波,开关承受的电压明显降低,电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

    本开关单元 零电流开关PWM电路的基本开关单元

    零转换PWM电路:这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻,所不同的是,谐振电路是与主开关并联的,输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小,电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满负载都能工作在软开关状态,无功率的交换玻消减到最小。

     

    零电压转换PWM电路的基本开关单元 零电流转换PWM电路的基本开关单元

    3.在移相全桥零电压开关PWM电路中,如果没有谐振电感L,电路的工作状态将发生哪些变化,哪些开关仍是软开关,哪些开关将成为硬开关?

    答:如果没有谐振电感Lr,电路中的电容

    与电感L仍可构成谐振电路,而电容Cs3,Cs4将无法与Lr构成谐振回路,这样,S3、S4将变为硬开关,

    仍为软开关。

    4.在零电压转换PWM电路中,辅助开关Sl和二极管VDI是软开关还是硬开关,为什么?

    答:在

    开通时,

    不等于零;在

    关断时,其上电流也不为零,因此

    为硬开关。由于电感L的存在

    开通时的电流上升率受到限制,降低了

    的开通损耗。由于电感L的存在,使

    的电流逐步下降到零,自然关断,因此

    为软开关。

    第8章 组合变流电路

    1.什么是组合变流电路?

    答:组合变流电路是将某几种基本的变流电路(AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/DC)组合起来,以实现一定新功能的变流电路。

    2.试阐明图8—1间接交流变流电路的工作原理,并说明该电路有何局限性。

    答:间接交流变流电路是先将交流电整流为直流电,在将直流电逆变为交流电,图8.1所示的是不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路。该电路中整流部分采用的是不可控整流,它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变,只能由电源向直流电路输送功率,而不能由直流电路向电源反馈电力,这是它的一个局限。图中逆变电路的能量是可以双向流动的,若负载能量反馈到中间直流电路,导致电容电压升高。由于该能量无法反馈回交流电源。故电容只能承担少量的反馈能量,这是它的另一个局限。

    3.试分析图8.2间接交流变流电路的工作原理,并说明其局限性。

    答:图8—2是带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路,它是在图8一l的基础上,在中间直流电容两端并联一个由电力晶体管Vo和能耗电阻‰组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时,使Vo导通,把从负载反馈的能量消耗在Ro上。其局限性是当负载为交流电动机,并且要求电动机频繁快速加减速时,电路中消耗的能量较多,能耗电阻R0也需要较大功率,反馈的能量都消耗在电阻上,不能得到利用。

    4.试说明图8.3间接交流变流电路是如何实现负载能量回馈的。

    答:图8—3为利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路,它增加了一套变流电路,使其工作于有源逆变状态。当负载回馈能量时,中间直流电压上升,使不可控整流电路停止工作,可控变流器工作于有源逆变状态,中间直流电压极性不变,而电流反向,通过可控变流器将电能反馈回电网。

    5.何为双PWM电路?其优点是什么?

    答:双PWM电路中,整流电路和逆变电路都采用PWM控制,可以使电路的输入输出电流均为正弦波,输入功率因数高,中间直流电路的电压可调。当负载为电动机时,可工作在电动运行状态,也可工作在再生制动状态;通过改变输出交流电压的相序可使电动机正转或反转,因此,可实现电动机四象限运行。

    6.什么是变频调速系统的恒压频比控制?

    答:即对变频器的电压和频率的比率进行控制,使该比率保持恒定。这样可维持电动机气隙磁通为额定值,使电动机不会因为频率变化而导致磁饱和和造成励磁电流增大,引起功率因数和效率的降低。

    7.何为UPS ? 试说明图8.11所示UPS系统的工作原理。

    答:UPS是指当交流输入电源发生异常或断电时,还能继续向负载供电,并能保证供电质量,使负载供电不受影响的装置,即不间断电源。图8—11为用柴油发电机作为后备电源的UPS,其工作原理为:一旦市电停电,则蓄电池投入工作,同时起动油机,由油机代替市电向整流器供电,整流后再通过逆变器逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电,市电恢复正常后,再重新由市电供电。因为蓄电池只作为市电与油机之间的过渡,柴油发电机作为后备电源,所以此系统可保证长时间不问断供电。

    8.试分析正激电路和反激电路中的开关和整流二极管在工作时承受的最大电压。

    解:正激电路和反激电路中的开关和整流二极管在工作时承受最大电压的情况如下表所示:

     

     

    开关S

    整流二极管VD

    正激电路

      

    反激电路

      

     

    9.试分析全桥、半桥和推挽电路中的开关和整流二极管在工作中承受的最大电压,最大电流和平均电流。

    答:以下分析均以采用桥式整流电路为例。

    ①全桥电路

     

     

    最大电压

    最大电流

    平均电流

    开关S

       

    整流二极管

       

     

    ②半桥电路

     

     

    最大电压

    最大电流

    平均电流

    开关S

       

    整流二极管

       

     

    ③推挽电路 (变压器原边总匝数为2N1)

     

     

    最大电压

    最大电流

    平均电流

    开关S

       

    整流二极管

       

     

    10.全桥和半桥电路对驱动电路有什么要求?

    答:全桥电路需要四组驱动电路,由于有两个管子的发射极连在一起,可共用一个电源所以只需要三组电源;半桥电路需要两组驱动电路,两组电源。

    11.试分析全桥整流电路和全波整流电路中二极管承受的最大电压,最大电流和平均电流。

    解:两种电路中二极管承受最大电压:电流及平均电流的情况如下表所示:

     

     

    最大电压

    最大电流

    平均电流

    全桥整流

       

    全波整流

       

     

    12.一台输出电压为5V、输出电流为20A的开关电源:

    ①如果用全桥整流电路,并采用快恢复二极管,其整流电路中二极管的总损耗是多少?

    ②如果采用全波整流电路,采用快恢复二极管、肖特基二极管整流电路中二极管的总损耗是多少?如果采用同步整流电路,整流元件的总损耗是多少?

    注:在计算中忽略开关损耗,典型元件参数见下表。

     

    元件类型

    型号

    电压(V)

    电流(A)

    通态压降(通态电阻)

    快恢复二极管

    25CPFl0

    100

    25

    0.98V

    肖特基二极管

    3530CPQ035

    30

    30

    0.64v

    MOSFET

    IRFP048

    60

    70

    0.018Q

     

    解:①、总损耗为:

     

    ②采用全波整流电路时:

    采用快恢复二极管时总损耗为:

     

    采用肖特基二极管时总损耗为:

     

    采用同步整流电路时,总损耗为:

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