工作原理编辑.docx

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1、工作原理编辑1 伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、伺服电机（图1） 1状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠 脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角 度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角 度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如 此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够 很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为 有刷和

2、无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要 维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏 感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制 复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护, 效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机, 它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速 降低。因而适合做低速平稳运行

3、的应用。3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场 的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行 比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制, 转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。2发展历史编辑自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会 交流伺服电机（图二）上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进

4、入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市 场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存 在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP） 的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为搭胧只疼或按旌鲜东谷、 摘只疼的永磁交流伺服系统。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用 快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本 松下及安川等公司。日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，

5、其中D系列适用于数控机床（最 高转速为1000r/min,力矩为0.252.8N.m） , R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min, 力矩为0.0160.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世纪90年代先 后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、 80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%,并提高了可靠性。这样，只 用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.056kW）较完整的体系，满足了工作机械、 搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机 等的不同需要。以

6、生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯 量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MF他HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系 列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所（BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机 （S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号 92个规格。德国西门子（Siemens

7、）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类, 共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU 系列相比，重量只有后者的1/2,配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6 个轴的电动机控制。德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8 个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部（Motion Control Division）,生产M600系列的交流伺服电动机和A60。系列的伺服驱动器。

8、后合并至AEG, 恢复了 Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。美国A-B （ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和 1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。LD.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、 BR-310、BR-510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989 年起推出了全新系列设计的掺鹅盗祗（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B （小惯量）、 M （中惯量）和EB （防爆型）三大类，

9、有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42 个规格，全部采用被铁硼永磁材料，力矩范围为0.84llL2N.m,功率范围为0.5415.7kW。 配套的驱动器有BDS4 （模拟型）、BDS5 （数字型、含位置控制）和Smart Drive （数字型） 三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG,以生产直流伺服电动 机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHTH00、2200、3300三种机座号共17 种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。法国Alsth

10、om集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）交流伺服 电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中By系列采 用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个 规格，连续力矩范围为735N.m。2RBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩 范围为0.1170N.m,配套的是3RE型控制器。近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有 MSMA系列小惯量型，功率从0.035kW,共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA

11、、 MFMA三个系列，功率从0.754.5kW,共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范 围从0.55kW,有7种规格。韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电 动机系列有 CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX 多种 型号，功率从15W-5kWo现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流 伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子 转动惯量之比。按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国LD的Go

12、ldline系 列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。3选型比较编辑交流伺服电动机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位 置互差90。的绕组，一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L, 联接控制信号电压Uco所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的 机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和 转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电 材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子

13、，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是 采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻，要在空 心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳, 因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。 当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的 情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将 反转。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交 流伺服

14、驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服 驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方 向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺 服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日 新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。伺服电动机与单相异步电动机比较交流伺服电动机的工作原理与分相式

15、单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大 得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差 率SO1,这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因 此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电 压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子 作用所产生的两个转矩特性（Tl-Sl、T2S2曲线

16、）以及合成转矩特性（TS曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz,电压有36V、110V、22。、380V；当电源频率为400Hz,电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大, 效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的 小功率控制系统。4调试方法编辑1、初始化参数在接线之前，先初始化参数。2在控制卡上：选好控制方式；将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此 状态保存，确保控制卡再次上电时即为此状态。在伺服电机上：设置控

17、制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制 信号与电机转速的比例关系。一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制 电压。比如，山洋是设置IV电压对应的转速，出厂值为500,如果你只准备让电机在1000 转以下工作，那么，将这个参数设置为111。2、接线将控制卡断电，连接控制卡与伺服之间的信号线。以下的线是必须要接的：控制卡的模拟量 输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后，电机和控制卡（以 及PC）上电。此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信 号的设置与接线。用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变

18、化，否则 检查编码器信号的接线和设置3、试方向对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。通过控制卡打 开伺服的使能信号。这是伺服应该以一个较低的速度转动，这就是传说中的“零漂”。一般 控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可 以通过这个指令（参数）控制。如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确 认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。如果 电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。测试不要给过大的电压，建议在IV以下。 如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。4、抑

19、制零漂在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。使用控制卡 或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随 机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。5、建立闭环控制再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益，至于多大算较 小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制卡能允许的最小值。将控制卡和伺服的 使能信号打开。这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。6、调整闭环参数细调控制参数，确保电机按照控制卡的指令运动，这是必须要做的工作，而这部分工作，更 多的是经验，这里只能从略了。5性能比较编辑伺服电机

20、与步进电机的性能比较步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数 字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电 机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大 多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉 冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作 一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为1.8、0.9 ,五相混合式步进电机步距角一般为 0.72。、0.36 o也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更

21、小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8。、0.9。、0.72、 0.36。、0.18 0.09、0.072、0.036 ,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为 例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当 量为360。/8000=0.045。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电 机转一圈，即其脉冲当量为360。/131072=0. ,是步距角为1.8。的步进电机的脉冲当量的 1/655

22、o二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为 振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对 于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振 动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑 制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT）,可检测出机械 的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工

23、作转速 一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为 例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性 负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性 力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出 现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出

24、现丢步或堵转的现象，停止时转 速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动 系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环, 一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系 统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常 用步进电机来做执行电动机。所以

25、，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等 多方面的因素，选用适当的控制电机。6选型计算编辑一、转速和编码器分辨率的确认。二、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。三、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实 际越小越好，这样对精度和响应速度好。四、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。五、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增 量式是4芯。7制动方式编辑用户往往对电磁制动，再生制动，动态制动的作用混淆，选择了错误的配件。动态制动器由动态制动电阻组成，在故障、急停、电源断电时通过能耗制动缩

26、短伺服电机的 机械进给距离。再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线，经 阻容回路吸收。电磁制动是通过机械装置锁住电机的轴。三者的区别：再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用，在故障、急停、电源断电时等情况下无法 制动电机。动态制动器和电磁制动工作时不需电源。再生制动的工作是系统自动进行，而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。（3）电磁制动一般在SV、OFF后启动，否则可能造成放大器过载，动态制动器一般在SV、 OFF或主回路断电后启动，否则可能造成动态制动电阻过热。8注意事项编辑一、伺服电机油和水的保护A：伺服电机可以用在会受水或油滴侵袭的场所，但

27、是它不是全防水或防油的。因此，伺 服电机不应当放置或使用在水中或油侵的环境中。B：如果伺服电机连接到一个减速齿轮，使用伺服电机时应当加油封，以防止减速齿轮的油 进入伺服电机C：伺服电机的电缆不要浸没在油或水中。二、伺服电机电缆一减轻应力A：确保电缆不因外部弯曲力或自身重量而受到力矩或垂直负荷，尤其是在电缆出口处或连 接处。B：在伺服电机移动的情况下，应把电缆（就是随电机配置的那根）牢固地固定到一个静止 的部分（相对电机），并且应当用一个装在电缆支座里的附加电缆来延长它，这样弯曲应力 可以减到最小。C：电缆的弯头半径做到尽可能大。三、伺服电机允许的轴端负载A：确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的规定值以 内。B：在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲负载可能导致轴端和轴承的损 坏或磨损C：最好用柔性联轴器，以便使径向负载低于允许值，此物是专为高机械强度的伺服电机设 计的。D：关于允许轴负载，请参阅“允许的轴负荷表”（使用说明书）。