机电一体化技术(第2版)课件：伺服技术

伺服驱动技术目录16.1伺服概述26.3步进电动机36.2伺服系统的结构组成及要求46.4伺服电动机66.5DD马达76.6音圈电机56.5直线电机

伺服驱动技术是机电一体化的一种关键技术，在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。

6.1伺服概述6.1.1伺服的概念“伺服”一词源于希腊语“奴隶”，英语“Servo”。在伺服驱动方面，我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根据信号的大小、方向，即在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。6.1.2伺服的分类1．按被控量参数特性分类

按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。2．按系统结构特点分类

从系统结构特点来看，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、半闭环控制伺服系统和闭环控制伺服系统。开环伺服系统简图6.1.2伺服驱动的分类图6-2半闭环控制系统图6-1开环控制系统半闭环伺服系统简图6.1.2伺服驱动的分类图6-3闭环控制系统全闭环伺服系统简图3．按驱动元件的类型分类

按驱动元件的不同分类，是最常用的一种方法，可分为液压伺服系统、气压伺服系统、电气伺服系统。6.1.2伺服驱动的分类

液压伺服系统是较早期的伺服驱动装置，也是功率最大的伺服驱动装置。电气伺服系统是发展最快的驱动装置，也是目前最实用的伺服驱动装置。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为步进电机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统等，三者互相补充，互相竞争，发展极为迅速。6.2伺服系统的组成及要求图6-4伺服驱动的组成框图

伺服控制系统一般包括比较环节、控制器、执行环节、被控对象和检测环节等部分。图6-4所示为数控机床工作台伺服系统的组成框图。6.2.1伺服系统的组成

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，获得输出与输入间偏差信号，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差。

执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。

被控对象一般指机器的运动部分，包括传动系统、执行装置和负载，如工业机器人的手臂、数控机床的工作台以及自动导引车的驱动轮等。6.2.1伺服系统的组成(1)稳定性好。(2)精度高。(3)快速响应性好。(4)调速范围宽。6.2.2伺服系统的基本要求1、定义：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。2、伺服电机最大特点

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。6.2.3伺服电机概述(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。3、伺服电机与普通电机相比具有如下特点

根据电机的不同应用领域，交流伺服电机属于控制类电机，伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。普通电机传动类。6.2.3伺服电机概述6.3步进电动机1、简介：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号

转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。2、特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.以反应式为例说明步进电机的结构和原理按励磁方式分类：1）永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。2）反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。3）感应子式(混合式)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。6.3.1步进电动机分类

(a)永磁式；(b)反应式；(c)混合式图6-5

步进电机构造6.3.1步进电动机分类1、结构注意：步进电机通的是直流电脉冲步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角6.3.2步进电动机的工作原理2、工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相

C相

B相

6.3.2步进电动机的工作原理3、工作过程被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A34126.3.2步进电动机的工作原理CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30

；1C'342CA'BB'AC相通电再转30

6.3.2步进电动机的工作原理这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。6.3.2步进电动机的工作原理二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A34126.3.2步进电动机的工作原理（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。A、B相同时通电CA'BB'C'A34126.3.2步进电动机的工作原理总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15

。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。6.3.2步进电动机的工作原理三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电6.3.2步进电动机的工作原理以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30

，即

S=30

。CA通电CA'BB'C'A34126.3.2步进电动机的工作原理步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数如：Zr=40,N=3时

步距角拍数：N=kmk=1单拍制2双拍制m:相数

转速每输入一个脉冲，电机转过即转过整个圆周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行状态。当步进电动机处于通电状态时，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，称为失调角。有了失调角之后，步进电动机就产生一个反应转矩，步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩T，叫作静转矩。6.3.3步进电机的运行特性1．静态运行状态步进电动机的静转矩T和失调角θ之间的关系称为矩角特性图6-9步进电动机的矩角特性6.3.3步进电机的运行特性6.3.3步进电机的运行特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性步进电动机矩频特性特点：下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降2．动态运行状态6.3.5步进电机的驱动器步进电机驱动器，其实就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。首先步进驱动器会接收到一个脉冲信号，然后它按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。1、驱动器简介图6-14步进电动机驱动器2、步进电机驱动器接线图中标号释义：CP+：脉冲正输入端；CP-：脉冲负输入端；U/D+:方向电平的正输入端；U/D-方向电平的负输入端；PD+：脱机信号正输入端；PD-：脱机信号负输入端；6.3.5步进电机的驱动器3、输入信号内部接口电路

为了使控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相互干扰，我们在驱动器内部采用光耦器对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同。图6-16步进驱动器内部接口电路6.3.5步进电机的驱动器外部信号输入分为共阴接法和共阳接法两种。共阴接法如图6-17所示，此时输入信号为正脉冲方式。共阴接法6.3.5步进电机的驱动器共阳极接法6.3.5步进电机的驱动器2伺服电动机

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，将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，以驱动控制对象。其最大的特点是，有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。6.4.1交流伺服电机

交流伺服电动机也是无刷电动机，分为同步和异步电动机，目前运动控制中一般都用同步电动机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。图6-21松下交流伺服电动机及其驱动器编码器部分

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。编码器6.4.1交流伺服电机

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。交流伺服电机工作原理6.4.1交流伺服电机6.4.2交流伺服驱动器图6-26伺服驱动器

伺服驱动器是用来控制伺服电动机的，是伺服电动机的控制部分。

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块：驱动模块和控制模块。

驱动模块是强电部分，用于电动机的驱动。

控制模块是弱电部分，是电动机的控制核心，其功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。工作方式分为：位置控制模式，速度控制模式，转矩控制模式。

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

这三种工作模式中，根据控制要求选择其中的一种或两种模式，当选择两种工作模式时需要外部开关进行选择。6.4.2交流伺服驱动器1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，负载发生变化时，电机转速发生变化，但是转矩不会变，具体表现：例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小。6.4.2交流伺服驱动器2、位置控制：位置控制模式一般是通过（上位机plc）外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。

应用领域如数控机床中工作台的移动等等。要求工作台移动多少，或者转动多大角度。6.4.2交流伺服驱动器3、速度模式：

通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，维持电机的转速不变。负载变化时，转矩发生变化，但是转速不变。此时的输出转矩是由负载决定的，负载转矩大，则输出转矩大，但是不能超过电机的额定转矩。

6.4.3伺服控制系统结构图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DAC0/12交流伺服电机系统结构6.4.3伺服控制系统结构6.5直线电机直线电机是一种新型的电机，它采用线性运动的方式，因此又称为直动电机或线性电机。与传统的旋转电机不同，直线电机具有高速度、高精度、高效率、高加速度和高响应速度等特点，因此在机床、起重机、磁悬浮列车、空气动力飞机等领域得到了广泛应用。本文将介绍直线电机的工作原理及其优缺点。6.5.1直线电机的结构组成和工作原理图6-30直线电机模组组成结构6.5.2直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较图6-31直线电机

图6-32旋转电机+滚珠丝杠（1）优点1.高速响应；2.精度；3.动刚度高；4.速度快；5.行程长度不受限制；6.运动动安静、噪音低；7.效率高。（2）缺点1.安装和维护困难；2.价格高；3.仅适用于线性运动。6.6DD马达DD是DirectDriver的简称，DD后⾯加上电机就称为DD直驱电机。由于其输出⼒矩⼤，因此有些公司将该产品直接称为⼒矩电机。与传统的电机不同，该产品的⼤⼒矩使其可以直接与运动装置连接，从⽽省去了诸如减速器，齿轮箱，⽪带轮等连接机构，因此才会称其为直驱电机。6.6.1DD马达的结构DD马达主要由转子、定子、磁环、轴承等组成。工作时，通过