伺服系统总结(电机和驱动)

1、 目录目录 伺服系统概述 系统结构原理以及分类 伺服电机 伺服驱动 编码器以及制动方式介绍 伺服与步进区别 伺服选型 一、一、 伺服系统概述伺服系统概述 伺服系统(servomechanism)又 称随动系统，是用来精确地跟随或 复现某个过程的反馈控制系统。伺 服系统使物体的位置、方位、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。 它的主要任务是按控制命令的要求、 对功率进行放大、变换与调控等处 理，使驱动装置输出的力矩、速度 和位置控制非常灵活方便。 本文主要介绍机电伺服系统。本文主要介绍机电伺服系统。 4 详细解释：伺服系统（servomechanism）是使

2、物体的位 置、方位、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。 二、系统的结构原理以及分类二、系统的结构原理以及分类 1、结构原理、结构原理 最基本的伺服系

3、统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、 反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需 要一个上位机构，PLC,专门的运动控制卡，工控机+PCI卡， 以便于给伺服驱动器发送指令。 伺服系统主要由三部分组成:控制器,功率驱动装置,反 馈装置和电动机.控制器按照的给定值和通过反馈装置检测 的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主 回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机 之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒 压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电;电 动机则按供电大小拖动机械运转.（如图一所示） 6 位置控制调节 器 速度控制 调节与驱动

4、检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - - 电机 机械执行部件 CNC 插补 指令 实际 位置 反馈 实际 速度 反馈 图一 伺服控制经典电路图伺服控制经典电路图 7 2、系统分类、系统分类 8 伺服系统的分类方法很多,常见的分类方法有以下三种. （1）按元件特性和信号作用特点分类. 分为模拟量控制和数字量控制. (2)按驱动元件的类型分类 伺服控制系统按所用控制元件的类型可分为机电伺服系统、液 压伺服系统(液压控制系统) 和气动伺服系统。 (3)按控制原理分类. 伺服系统可分为(开环控制伺服系统、)闭环控制伺服系统和半 闭环控制伺服系统。 常见的四种伺服控制系统如下: 9 (1

5、) 液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机 械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压 油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作， 完成各种设备不同的动作需要。液压伺服控制系统按照偏差 信号获得和传递方式的不同分为机-液、电-液、气-液等,其中 应用较多的是机-液和电-液控制系统。按照被控物理量的不 同,液压伺服控制系统可以分为位置控制、速度控制、力控制、 加速度控制、压力控制和其他物理量控制等。液压控制系统 还可以分为节流控制(阀控)式和容积控制(泵控)式。在机械设 备中,主要有机-液伺服系统和电-液伺服系统。 10 (2) 交流伺服控制

6、系统 交流伺服控制系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基 于同步电动机的交流伺服系统。除了具有稳定性好、快速性 好、精度高的特点外，具有一系列优点。它的性能指标可以 从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性 等方面来衡量。 (3) 直流伺服控制系统 交流伺服控制系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上。 与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流， 它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转 速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单 输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这 种系统，因此，它凭借控制简单，调速性能优异，在数控机 床的进给驱

7、动中曾占据着主导地位。 11 (4) 电液伺服控制系统 它是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控 制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系 统和电液力(或力矩)控制系统。 以上是我们常用到的四种伺服系统，他们的工作原理和性 能以及可以应用的范围都有所区别，各有自己的特点和优 缺点。因此在选择或者购买的时候，就需要根据系统的需 要以及需要控制的参数和实现的性能，通过计算后在选择 合适的产品。 12 三、伺服电机 1、伺服电机简介： 伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运 转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准

8、确，可以将电压 信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转 速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中， 用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动 电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角 位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类， 其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着 转矩的增加而匀速下降。 13 伺服电机主要分为直流伺服电机和交流伺服电机，其中直 流伺服又分为有刷直流伺服和无刷直流伺服，交流伺服又 分为异步交流伺服和永磁同步交流伺服。（实际上无刷直 流伺服也算是交流伺服一派的，只不过区别在于用直流供 电，并控制器电子换向实现交流电机驱

9、动） 由于主要用于控制，因此市面上大多的伺服电机通常是指 永磁同步电机，因为其控制响应性能最优；久而久之，大 家日常说道的伺服电机通常都是指永磁同步电机。 14 2、电机特点： 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 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， 对环境有要求高。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，

10、可用于各种 环境。 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的应用。 15 电磁式 反应式 磁滞式 非电磁式 交流同步伺服电机 交流感应伺服电机 交流伺服电机 永永磁磁式式 16 3、永磁同步伺服电机 永磁同步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）。

11、特点如下： 控制速度非常快，从启动到额定转速只需几毫秒；而相同 情况下异步电机却需要几秒钟。 启动扭矩大，可以带动大惯量的物体进行运动。 功率密度大，相同功率范围下相比异步电机可以把体积做 得更小、重量做得更轻。 运行效率高。 可支持低速长时间运行。 断电无自转现象，可快速控制停止动作。 17 同步型交流伺服电机 同步型结构较异步电机复杂，但比直流电机简单。其定子与 异步电机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子又按 不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又 分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同 步电机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。 但随着异步电机

12、控制技术的不断发展，当前以模拟信号控制 的异步电机在控制响应方面性能也跟上来了，且其亦具备永 磁同步电机不具备的优点，因此异步伺服电机作为伺服电机 行业的一股新生力量也在渐露头角。 18 4、异步伺服电机 异步伺服电机实际上和异步电机是几乎完全相似的，不过其引入了编码器 实现了对电机的闭环控制，因此也可以视为伺服电机的一种。尤其是当前 变频调速技术的飞速发展，异步伺服电机的实际控制性能也很不错，配合 其支持大功率、高转速的特点，在一些永磁同步电机无法胜任的地方大放 异彩。 特点如下： 功率可以做得很大，设计成熟，运行可靠性高。 支持高速（过10000rpm）长时间运行，同比下永磁电机最高只能做

13、到 60008000rpm转速。 性价比高，在对控制精度要求不高的情况下可以替代永磁电机使用。 异步型交流伺服电机分为三相和单相，最受欢迎的是鼠笼式三相感应电机。 有结构简单、价优、轻巧等特点，与同容量的直流伺服相比，质量轻1/2， 价格为直流的1/3。但物无完物，它也有缺点，即无法经济地实现范围很广 的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，容易损坏电网功率因数。 19 四、伺服驱动器 其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分。 目前 主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实 现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采 用以智

14、能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电 路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路 中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 功率驱动单元首 先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的 直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变 器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可 以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路 是三相全桥不控整流电路。 伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高 精度的定位系统，目前是传动技术的

15、高端。 20 伺服驱动内部电路图 21 五、编码器和制动方式介绍 1、编码器 编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以 通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成 电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接 触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。 增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计 数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应 一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与 测量的中间过程无关。 22 2、制动方式 用户往往对

16、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： (1)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。 (2)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

17、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。 23 六、伺服电机、步进电机的区别 步进电机是一种离散运动的装置，它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3.6、 1.8，五

18、相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有 一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的 24 一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百 格拉公司（BERGER LAHR）生产的三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。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500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360/10000=0.036。对于带17位

19、编码器的 电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即 其脉冲当量为360/131072=0.0027，是步距角为1.8的步进 电机的脉冲当量的1/655 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 25 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