伺服电机知识培训（工程师培训）

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一.伺服电机基本知识

伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。

最常见的伺服是交流永磁同步伺服电机，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电在定子中形成变化的电磁场，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）。最常见的是2500线标准编码器配置的伺服电机。

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。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永

磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

交流伺服系统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。中低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。应用在特定要求高的一些场合，如伺服电机MR－J3系列的响应频率可达900Hz，目前国内主流产品的频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电机分类1、交流伺服电动机2、直流伺服电动机伺服电动机分为：同步伺服异步伺服伺服电机知识点概述电机制造是一个传统行业，已经存在100余年。电机的控制技术，是除了气缸控制技术外，比较难的技术；特别是大家之前经常提到的“矢量控制技术”。电机控制技术的难点，交流电机模型特点是高阶、非线性、强耦合的多变量系统；目前电机控制，主要是基于芯片控制、高速传输技术为基础的反馈控制系统。电机控制技术，已经逐步实现直驱控制。像安川已经推出配套驱动器的直驱电机。

在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。1.2伺服电机最大特点1.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。2伺服电机基本结构及原理交流伺服电机系统驱动器交流伺服电机器伺服电机主要构成1、结构(永磁同步电机)主要由：定子1、转子5和检测元件8等几部分组成。1234156789(1)笼型转子

铁芯槽内放铜条,端部用短路环形成一体,

或铸铝形成转子绕组。2伺服电机基本结构及原理铸铝的笼型转子转子定子壳体2、

转子笼型转子(2)杯型转子纲薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm2伺服电机基本结构及原理杯型转子转子定子壳体

2.2

转动原理2伺服电机基本结构及原理2

三相异步电动机的转动原理

2.2

转动原理2

三相异步电动机的转动原理

2.2

转动原理

当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。3旋转磁场作用下的运行分析

为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。3.1伺服电机旋转磁场的产生电气原理图控制绕组励磁绕组3旋转磁场作用下的运行分析

同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为3.1旋转磁场的产生控制绕组励磁绕组当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。UC1UC2UF1UF23.1旋转磁场的产生3.2伺服电机旋转磁场的方向控制绕组励磁绕组控制绕组励磁绕组3.2伺服电机旋转磁场的方向3.3伺服电机旋转磁场的速度

旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P＝1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率f＝400Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P＝1而言，旋转磁场转速为

n0=24000r／min旋转磁场转速为的一般表达式为4.伺服电机的机械特性及控制方式4.1伺服电机的机械特性

对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC＝0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N—S和N—S在空间以相反方向旋转。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象当电阻已增大到使临界转差率＞1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S＝1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象4.3伺服电机控制方式及特性

设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。伺服电动机的机械特性ABC结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制伺服电机主要参数1.6.1

功率的选择

功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1.对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。6.伺服电机的选择6.1

种类和型式的选择1.种类的选择

一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。2.结构型式的选择

根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机6.2

主要性能指标的选择

1．空载始动电压UCO在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压。用通过以额定控制电压的百分比来表示。UCO

越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大于额定控制电压的3%～4％，使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的1％。6.2主要性能指标的选择

2．机械特性非线性度Km

在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩T＝Td／2时的转速偏差△n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械待性非线性度。一般要求Km≤10％～

20％6.2主要性能指标的选择

3．调节特性非线性度Kv

在额定励磁电压和空载情况下，当控制电压<0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差△n与控制电压＝1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即:一般要求Kv≤20％～

25％6.2主要性能指标的选择

4．堵转特性非线性度kd

在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差(△Tdn)max与控制电压＝1时的堵转转矩Tdo之比值的百分数，定义为堵转待性非线性，即

以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。一般要求

Kd≤±5％

1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用其它场合的应用1.5伺服电动机典型生产厂家德国西门子，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1概述美国科尔摩根，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器1.5伺服电动机典型生产厂家1概述日本松下及安川，产品外形有：松下交流伺服电机及驱动器安川伺服电机驱动器1.5伺服电动机典型生产厂家5交流伺服电机的应用

安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。5V5V0V0V伺服电机控制精度取决于编码器精度。5.1伺服电机编码器编码器5.2伺服电机驱动器1、主要功能（1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC；（2）接收编码器的速度和位置信号；（3）I/O信号接口5.2伺服电机驱动器数码显示窗口参数设置键计算机RS232口I/O信号接口编码器信号接口电机电源输入输出接线端子2、外部组成5.2伺服电机驱动器3、控制模式（1）位置控制模式——最大输入脉冲频率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于开路收集器）（2）速度控制模式——模拟速度指令输入：0～±10V/额定转速（3）力矩控制模式——模拟力矩指令输入：0～±10V/最大力矩5.3交流伺服电机系统应用图2-2交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机驱动器连接AC220V

I/O板5.3.1交流伺服电机系统结构PC机运动控制器I/O电路驱动器电机Pulse0/1P9-0/2CNSIG控制电压编码器反馈信号轴号0/1数据信号使能信号DO21/22速度信号DAC0/15.3交流伺服电机系统应用5.3.1交流伺服电机系统结构6.3

主要技术指标的选择

1．电压技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土5％左右。电压太高，电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，会使电机过热。控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场6.3

主要技术指标的选择2．频率目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.35～0.5mm的硅钢片。低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。

在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500Hz、110V的电机，如果用在400Hz时，那末加到电机上的电压就应改成110×400／500＝88V。6.3

主要技术指标的选择

3．堵转转矩，堵转电流定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。6.3

主要技术指标的选择4．空载转速定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。6.3

主要技术指标的选择5．额定输出功率当电机处于对称状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图78所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn。和额定转速nn。n0nT0nnT最大功率额定转矩TN额定转矩TN

交流伺服电机与普通电机的区别：

1、根据电机的不同应用领域，电机的种类很多。交流伺服电机属于控制类电机，这一点不等同普通电机。根据电机基本原理，伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。伺服电机的构造与普通电机是有区别的，伺服电机带编码器反馈闭环控制，能满足快速响应和准确定位，而普通电机构造相对简单，没有编码器反馈。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几千瓦以上的同步伺服电机价格很贵，在大功率的现场应用，多采用异步伺服电机+变频驱动。

2、电机的材料、结构和加工工艺，交流伺服电机要远远高于变频器驱动的普通交流电机（一般交流电机或各类变频电机）。就是说当伺服驱动器输出电流、电压、频率变化很快时，伺服电机能产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机。当然不是说变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频器的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。

3、交流电机一般分为同步和异步电机：

（1）交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的变化，转子也做响应频率的速

度变化，而且转子速度等于定子速度，所以称“同步”。

（2）交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子的变化，一旦等于就没有变化的磁场切割转子的感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。（3）对应交流同步和异步电机，变频器就有相应的同步变频器和异步变频器，伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服。当然变频器里交流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。

4、交流伺服电机与普通电机还有很多区别，可以参考一下《电机学》方面的书籍；普通电机通常功率很大，尤其是启动电流很大，伺服驱动器的电流容量不能满足要求。可从电机的尺寸就知道原因了。

3。交流伺服的行业应用

现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、纺织、食品包装、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75％。

在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。

在机器人领域，无刷永磁伺服系统得到大量应用。工业机器人拥有多个自由度，每台工业机器人需要的电机数量在10台以上。目前世界范围内工业机器人拥有量超过100万台，机器人的需求量年增长在30％以上。纺织行业当前应用伺服的比例很低，但却是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。从90年代初期至今已经15年，纺织行业技术进步主要是依靠变频化、PLC化。只有少量纺织机械采用了高档伺服技术，用于提高精度和效率，目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、园网印