伺服系统概要

1、衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15HZ，大型设备伺服系统的带宽则在12HZ以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50HZ，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压

2、器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。 伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。 最基本的伺服系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。&

3、#160;   在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。 随着PC（Personal Computer）的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运

4、动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。    伺服驱动器是用来控制伺服

5、电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，其作用类似于变频器作用于普通交流马达。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、数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（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

6、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，目前是传动技术的高端。     伺服驱动器的规格与选择 伺服驱动系统的应用非常广泛，举凡需要做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同步运转控制等场合，都是它主要的应用范围。在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作界面会有所不同，但其应用方法与控制原理可说是大同小异。本文将说明直流伺服驱动系统的组成，伺服系统要求规格，驱动

7、器的规格、型式、特性与工作原理，最后再介绍一些应用实例。  一个伺服电机驱动系统的基本结构如图1所示，通常包含三个主要部份：伺服电动机、速度回路驱动器与位置回路控制器。伺服电机可根据应用的需要而决定是否加装转速计(tachometer)、光编码器(photo encoder)或剎车(braker)。一般商品化的伺服驱动器即是指速度回路驱动器，其中包含了功率放大器与速度回路控制器，并包含适当的应用界面电路，因而能够根据应用场合做适当的组合。位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面，亦包含一些较高层次的位置命令与参数调整等界面设定，通常为一可单独销售的产品。&#

8、160;附录A为日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动器的规格书，其主要规格如表1所列。以PDT-093-10为例，其配合直流伺服电机为SM60-201，转子惯量为0.27×10-3Kgcm sec2。主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式，为晶体管脉宽调变(PWM)型，可逆是指可工作于正反转，因此可工作于四象限工作区。减定规格(wave factor) 或称之为 derating factor 为波形率(form factor)的倒数。 直流伺服驱动

9、器的wave factor系指其输出电流的平均值与rms的比值，其越接近1越好，表示其涟波电流越小，所造成的rms扭矩损也就越小，故系统的效率也就越高。大多数的直流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入，输入电压通常介于±10V，输入阻抗通常为10K。一般工业级伺服驱动器的瞬时最大输出电流约为其额定输出电流的23倍，瞬时最大输出电流直接关系到驱动系统的加速能力、伺服刚性与频宽，因此是重要的性能指针。 在选定伺服驱动器时，其速度控制范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑因素。速度控制范围直接影响到低速与高速运动的能力，一般的伺服驱

10、动器其速控比(最高转速最低转速)通常大于1000。速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维持定速的能力，定义的项目通常包含：负载变动、电源电压变动与温度变动。反应时间(response time)为瞬时响应的重要指标，0-1000 rpm的反应时间为一般参考标准。在额定负载下的最高转速反应时间，在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标。加减速特性主要指在最高转速的步阶响应其加减速的特性，图2(a)为直线一段加减速，图2(b)为直线两段加减速， 图2(c) 为指数曲线加减速。一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速，但亦可根据实际应用需要选择不同加速曲线的驱动器，或在

11、外回路位置控制加以修改。  由于伺服驱动系统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统，因此其闭回路特性就相当重要，表1的闭回路特性包含了：位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回路增益。    型 式 Type 单位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30  配适电机 Matchin

12、g DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002  转子惯量Rotor Inertia Kgcmsec2 0.27 × 10-3 1.1 × 10-3 0.39 × 10-3电 源 Power Reruirements - AC200/220 ±10%,&

13、#160;50/60Hz, 单相  电源电流 Line Current A 1.5 2 1  周围条件 Enviromental Spec. - 温度：050C 湿度：3585%  主 回 路 Main Circuit - 晶体管PWM四象限  减定格率 Wave Factor % 95 

14、以上  速度反馈Speed Feedback - MCTG相当(3V±5%/1000rpm) 7V+3V,  -0V/1000rpm  输 入  Input 指令电压 Command V. V/1000rpm DC±3  Input Impedance 约10  最大输出电压 Max. Output V.&#

15、160;V DC±130 DC±130 DC±130  额定输出电压 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1  瞬时最大输出电流.  Max. Inst. Output Cur. 高速时 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5&#

16、160; 额定扭矩  Rated Torue 1000rpm Kgcm 27 6 1.3  最高速度 Kgcm 27 6 1.3瞬时最大扭矩Max. Inst. Torque 01000rpm Kgcm 5.3 14 3.7速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm 24001 12001 3

17、0001  速度变动  Speed Variation 负荷变动 0100% rpm 0.01  电源电压变动 ±10 rpm 0.01  温度变动 050C rpm 0.5  反应时间  Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15  0最高速

18、率 (90%) ms 30 16 45  加减速特性 Accel.Dclr. Chrst. - 直线1段  闭路特性Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kgcm/0.01 3.5 10 2.5  Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 120

19、60; Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70  外部电流限制 External Cur. Limit -  保护机能 Protection - 电源电压低下、过速度、过电流、过负荷、TG异常 重 量  Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0&#

20、160; Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0  Choke Coil kg   假设一个伺服驱动系统的速度控制回路的回路转换函数(loop transferfunction)为GLV(s)，则其静态回路增益(static loop gain)为其位置误差常数(position error constant)。实际的控制系统均有某一个程度的非线性特性，因此在实际量测一个控制系统的回路增益时均是在闭路控

21、制的情况下，选择一个工作点再利用频率响应分析仪(frequency response analyzer)量测其小信号的回路增益，因此测试结果常标示其工作点。直流伺服驱动器本身受到输出电压电流的限制，因此也可以说是一个非线性控制系统，当电机输出扭矩与转速愈高时，所受到的非线性限制也就愈大，因此在转速较高的工作点所测得的回路增益一般均较小。 选择伺服驱动器时应注意伺服驱动器与其所配对的电机的扭矩转速工作区。为了降低电枢线圈的涟波电流，可加上一个扼流圈(choke)与 电机线圈串联，但如此也会加长电机的电气时间常数(electrical time&#

22、160;constant)，而降低了动态响应的性能，在使用上需整体考虑。主电源的隔离变压器可提供电压匹配与隔离的功能，但体积大且笨重，在选择时需多加考虑。一般功率较大的驱动器其功率级与信号级均完全隔离以避免 di/dt 与 dv/dt 噪声的干扰，这类的驱动器与市电连接时可不必再多加隔离变压器。  直流伺服驱动系统的特性  一个较完整的直流伺服驱动控制系统，包括传动机械在内，选型步骤大体如下：   1需求分析。   确定转速、转矩、转速精度或定位精度、安装

23、尺寸、是否需要闭环、成本；   2选择电机。   首先确定电机类型；   然后根据转速、转矩、安装尺寸选择电机；   3选择反馈元件   根据是否需要闭环，决定是否选用反馈元件，如编码器、测速机、旋变等；根据转速精度或定位精度选择反馈元件的类型及参数。   4选择驱动器。   根据电机功率，和以上综合因素选择驱动器；  选择驱动器时，不仅需考虑和电机的匹配，还需考虑控

24、制方式。选择适合自己控制器的控制方式，也很重要。  主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。   选择合适的伺服电机系统需要知道的技术数据有：  1。力矩范围  中小力矩（一般在20Nm以下）  小中大，全范围  2。速

25、度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM），直流伺服电机更可达12万转/分  3。控制方式  主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式  4。平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑  5。精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率）  6。矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬

26、  7。过载特性 过载时会失步 可310倍过载（短时）  8。反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步 闭环方式，编码器反馈  9。编码器类型  光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型  10。响应速度 一般 快  11。耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动）  12。温升 运行温度高 一般  13。维护性

27、0;基本可以免维护 较好  14。价格 低 高    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

28、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。伺服电机问题解答  1.伺服电机为什么不会丢步？ 伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。 2.对伺服电机进行机械安装时，应特别注意什么？ 由于每台伺服电机后端部都安装有旋转编码器，它是一个十分易碎的精密

29、光学器件，过大的冲击力肯定会使其损坏。 3.如何调节伺服电机，调节伺服电机有几种方式？  使用Twin Line软件对电机的PID参数、电机参数、电子齿轮比等进行调节。  4.我们想用伺服电机替换产品中的步进电机，应注意哪些问题？ A.为了保证控制系统改变不大，应选用数字式伺服系统，仍可采用原来的脉冲控制方式； B.由于伺服电机都有一定过载能力，所以在选择伺服电机时，经验上可以按照所使用的步进电机输出扭矩的1/3来参考确定伺服电机的额定扭矩； C.伺服电机的额定转速比步进电机的转速要高的多，为了充分发挥伺

30、服电机的性能，最好增加减速装置，让伺服电机工作在接近额定转速下，这样也可以选择功率更小的电机，以降低成本。 5.用脉冲方式控制伺服电机的优点? 可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。 信号抗干扰性能方面，数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。 当然用脉冲方式控制伺服电机也有一些性能方面的弱点。一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递信息。&#

31、160;这两个根本的弱点使脉冲控制伺服电机有很大限制。 (1)控制的灵活性大大下降。这是因为伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部。这样系统的PID参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。 (2)控制的快速性速度不高。 6

32、.伺服驱动器的“4”号报警是什么意思，如何处理? 这是电机传感器错误，或者是编码器与电机的连线没有连接好，或者是动力电源缺相。  7.伺服驱动器“2”号报警，怎样解决，需要调节哪些参数? 应该调节驱动器控制信号的30号角使其是高电平。 8.如何根据客户的要求为客户选配伺服电机和减速机，所选的方案应为最佳。 根据功率选取减速机，选出合适的减速机尺寸，在根据减速机选择合适的伺服电机，一定要注意速度的选取。9.我公司的伺服电机的优点是什么？高功率强度：采用最新永磁材料及优化电机设计，使体积较小的电机也能产生很大的扭矩。同一型号的电机与不同的

33、驱动器匹配时，最大输出扭矩也不同。体积相同的电机不同绕组，不同磁极数电机的输出功率也不相同。  抗冲击扭矩：额定扭矩的5倍。 采用高性能的材料，高磁能积。 电机和驱动器上带有温度监视器。  10.伺服电机通电以前应做哪些检查工作？  检查电机与驱动器的连线，连线不能虚连，线不能接错。  11.控制伺服时，给信号时，伺服电机不转，振动? 答：U，V，W三相接错。     简介： 一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的？ 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。