伺服电机原理

1、伺服电机原理一、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，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

2、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。交流伺服电动机的工作原理与分相式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

3、阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01,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（T1 S1、T2 S2曲线）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

4、,电压有36V、110V、220、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。伺服电机工作原理.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

5、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，

6、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。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）。什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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

7、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，请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？答：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。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。

8、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。伺服电机安装使用注意事项、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

9、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

10、负荷表”（使用说明书）。四、伺服电机安装注意（锤子直接敲A:在安装/拆卸耦合部件到伺服电机轴端时，不要用锤子直接敲打轴端。打轴端，伺服电机轴另一端的编码器要被敲坏）B:竭力使轴端对齐到最佳状态（对不好可能导致振动或轴承损坏）。伺服电机工作原理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。永磁交流伺服系统具有以下等优点:（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠， 维护和保养简单；（2）定子绕组散热快;（3）惯量小,易提高系统的快速性；（4） 适应于高速大力矩

11、工作状态;（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用 于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、 纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入 了全数字的时代。全数字 伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、 低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵 活，使伺服驱动器不仅结构简单,而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系 统,大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流 伺服电动机和全数字交 流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控

12、制算 法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技 术封锁的主要部分，也是在 技术垄断的核心。2交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有 伺服控制单元、功率驱动单元、交讯接口单元、 伺服电动机及相应的反馈检测器件组成， 具结构组成如图1所示。其中伺服控制 单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同 步驱动器具集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性 能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不 可比拟的。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，具优点是 可

13、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 后辿电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。图1交流永磁同步伺服驱动器结构伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二 是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。控制板是弱电部分,是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行 载体。控制板通过相应的算法输出

14、PWM1号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆 变器的输出功率,以达到控制三相永磁式同步 交流伺服电机的目的。图2功聿板,3功率驱动单元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PWW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勺过程。整流单元（AC-DC主要的拓it电路是三相全桥不控 整流电路。逆变部分（DC-AC采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一 体的智能功率模块（IPM）,主要拓扑结构是采用了三相桥式 电路原理图见图3, 利

15、用了脉宽调制技术即 PWM（Pulse Width Modulation）通过改变功率 晶体管交替 导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比 也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率 的目的。田表I三相逆变电将分折$卡*巩+“3J83gc*A尸33 %心你UD?而A1工加门X /炉- X 匕& /1-0*38A-%用一乙 Fr* /31alu由3（川1-. T 2心/加Lb： Z3 口g（7口产口-11 尸一1，口-L加州2 乙 /31C,A加4控制单元控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩 和电流控制器。所

16、采用的数字信号处理器（DSP）除具有快速的数据处理能力外， 还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如 A/D转换器、PWM：生器、定 时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态 RAMF大 容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理 （FOC）和坐标 变换，实现矢量控制（VC）,同时结合正弦波脉宽调制（SPWM脆制模式对电机进行 而T 。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及 幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与 直流 电机的控制方法相似,可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通 位置与转子

17、机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的 磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。伺服驱动器控制交流永磁伺服电机（PMSM）（司服驱动器在控制交流永磁伺服电机 时，可分别工作在电流（转矩）、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如 图4所示由于交流永磁伺服电机（PMSM）采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视 为是恒定；同时交流永磁伺服电机的 电机转速就是同步转速,即其转差为零。这些 条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得 以大大的降低。从图4可以看出，系统是基于测量电机的两相电流反馈和电机位 置。将测得的相电流结合位置信息，经坐标变化（从a ,b ,c 坐标系转换到转子 d ,q坐标系），得到分量，分别进入各自得电流 调节器。电流调节器的输出经过 反向坐标变化（从d ,q坐标系转换到a ,b ,c 坐标系），得到三相电压指令。控 制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路PW械输出到功率器 件，控制电机运行。系统在不同指令输