伺服系統(tǒng)總結(jié)(電機和驅(qū)動)

1、 目錄目錄 伺服系統(tǒng)概述 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理以及分類 伺服電機 伺服驅(qū)動 編碼器以及制動方式介紹 伺服與步進區(qū)別 伺服選型 一、一、 伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)概述 伺服系統(tǒng)(servomechanism)又 稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或 復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺 服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài) 等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或 給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、 對功率進行放大、變換與調(diào)控等處 理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度 和位置控制非常靈活方便。 本文主要介紹機電伺服系統(tǒng)。本文主要介紹機電伺服系統(tǒng)。 4 詳細解釋：伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使

2、物體的位 置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定 值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位， 基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋 轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機 本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度， 都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖 形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了 多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣， 就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位， 可以達到0.001mm。 二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理以及分類二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理以及分類 1、結(jié)構(gòu)原理、結(jié)構(gòu)原理 最基本的伺服系

3、統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件（電機、液壓缸等）、 反饋元件和伺服驅(qū)動器，但是要讓這個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來還需 要一個上位機構(gòu)，PLC,專門的運動控制卡，工控機+PCI卡， 以便于給伺服驅(qū)動器發(fā)送指令。 伺服系統(tǒng)主要由三部分組成:控制器,功率驅(qū)動裝置,反 饋裝置和電動機.控制器按照的給定值和通過反饋裝置檢測 的實際運行值的差,調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主 回路,一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機 之上,調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小,另一方面按電動機的要求把恒 壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電;電 動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn).（如圖一所示） 6 位置控制調(diào)節(jié) 器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動

4、檢測與反饋單元 位置控制單元速度控制單元 + + - - 電機 機械執(zhí)行部件 CNC 插補 指令 實際 位置 反饋 實際 速度 反饋 圖一 伺服控制經(jīng)典電路圖伺服控制經(jīng)典電路圖 7 2、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)分類 8 伺服系統(tǒng)的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種. （1）按元件特性和信號作用特點分類. 分為模擬量控制和數(shù)字量控制. (2)按驅(qū)動元件的類型分類 伺服控制系統(tǒng)按所用控制元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液 壓伺服系統(tǒng)(液壓控制系統(tǒng)) 和氣動伺服系統(tǒng)。 (3)按控制原理分類. 伺服系統(tǒng)可分為(開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、)閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半 閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。 常見的四種伺服控制系統(tǒng)如下: 9 (1

5、) 液壓伺服控制系統(tǒng) 液壓伺服控制系統(tǒng)是以電機提供動力基礎(chǔ)，使用液壓泵將機 械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓 油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作， 完成各種設(shè)備不同的動作需要。液壓伺服控制系統(tǒng)按照偏差 信號獲得和傳遞方式的不同分為機-液、電-液、氣-液等,其中 應(yīng)用較多的是機-液和電-液控制系統(tǒng)。按照被控物理量的不 同,液壓伺服控制系統(tǒng)可以分為位置控制、速度控制、力控制、 加速度控制、壓力控制和其他物理量控制等。液壓控制系統(tǒng) 還可以分為節(jié)流控制(閥控)式和容積控制(泵控)式。在機械設(shè) 備中,主要有機-液伺服系統(tǒng)和電-液伺服系統(tǒng)。 10 (2) 交流伺服控制

6、系統(tǒng) 交流伺服控制系統(tǒng)包括基于異步電動機的交流伺服系統(tǒng)和基 于同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。除了具有穩(wěn)定性好、快速性 好、精度高的特點外，具有一系列優(yōu)點。它的性能指標可以 從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性 等方面來衡量。 (3) 直流伺服控制系統(tǒng) 交流伺服控制系統(tǒng)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。 與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流， 它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn) 速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單 輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這 種系統(tǒng)，因此，它憑借控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機 床的進給驅(qū)

7、動中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。 11 (4) 電液伺服控制系統(tǒng) 它是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成的反饋控 制系統(tǒng)。最常見的有電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度控制系 統(tǒng)和電液力(或力矩)控制系統(tǒng)。 以上是我們常用到的四種伺服系統(tǒng)，他們的工作原理和性 能以及可以應(yīng)用的范圍都有所區(qū)別，各有自己的特點和優(yōu) 缺點。因此在選擇或者購買的時候，就需要根據(jù)系統(tǒng)的需 要以及需要控制的參數(shù)和實現(xiàn)的性能，通過計算后在選擇 合適的產(chǎn)品。 12 三、伺服電機 1、伺服電機簡介： 伺服電機(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運 轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。 伺服電機可使控制速度，位置精度非常準

8、確，可以將電壓 信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中， 用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動 電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角 位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類， 其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著 轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 13 伺服電機主要分為直流伺服電機和交流伺服電機，其中直 流伺服又分為有刷直流伺服和無刷直流伺服，交流伺服又 分為異步交流伺服和永磁同步交流伺服。（實際上無刷直 流伺服也算是交流伺服一派的，只不過區(qū)別在于用直流供 電，并控制器電子換向?qū)崿F(xiàn)交流電機驅(qū)

9、動） 由于主要用于控制，因此市面上大多的伺服電機通常是指 永磁同步電機，因為其控制響應(yīng)性能最優(yōu)；久而久之，大 家日常說道的伺服電機通常都是指永磁同步電機。 14 2、電機特點： 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制 容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾， 對環(huán)境有要求高。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民 用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣 量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其 電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護， 效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，

10、可用于各種 環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前 運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很 大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速 降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。 15 電磁式 反應(yīng)式 磁滯式 非電磁式 交流同步伺服電機 交流感應(yīng)伺服電機 交流伺服電機 永永磁磁式式 16 3、永磁同步伺服電機 永磁同步伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同 時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值 與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度 決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

11、特點如下： 控制速度非?？?，從啟動到額定轉(zhuǎn)速只需幾毫秒；而相同 情況下異步電機卻需要幾秒鐘。 啟動扭矩大，可以帶動大慣量的物體進行運動。 功率密度大，相同功率范圍下相比異步電機可以把體積做 得更小、重量做得更輕。 運行效率高。 可支持低速長時間運行。 斷電無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可快速控制停止動作。 17 同步型交流伺服電機 同步型結(jié)構(gòu)較異步電機復(fù)雜，但比直流電機簡單。其定子與 異步電機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子又按 不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又 分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同 步電機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。 但隨著異步電機

12、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，當前以模擬信號控制 的異步電機在控制響應(yīng)方面性能也跟上來了，且其亦具備永 磁同步電機不具備的優(yōu)點，因此異步伺服電機作為伺服電機 行業(yè)的一股新生力量也在漸露頭角。 18 4、異步伺服電機 異步伺服電機實際上和異步電機是幾乎完全相似的，不過其引入了編碼器 實現(xiàn)了對電機的閉環(huán)控制，因此也可以視為伺服電機的一種。尤其是當前 變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，異步伺服電機的實際控制性能也很不錯，配合 其支持大功率、高轉(zhuǎn)速的特點，在一些永磁同步電機無法勝任的地方大放 異彩。 特點如下： 功率可以做得很大，設(shè)計成熟，運行可靠性高。 支持高速（過10000rpm）長時間運行，同比下永磁電機最高只能做

13、到 60008000rpm轉(zhuǎn)速。 性價比高，在對控制精度要求不高的情況下可以替代永磁電機使用。 異步型交流伺服電機分為三相和單相，最受歡迎的是鼠籠式三相感應(yīng)電機。 有結(jié)構(gòu)簡單、價優(yōu)、輕巧等特點，與同容量的直流伺服相比，質(zhì)量輕1/2， 價格為直流的1/3。但物無完物，它也有缺點，即無法經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣 的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，容易損壞電網(wǎng)功率因數(shù)。 19 四、伺服驅(qū)動器 其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。 目前 主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實 現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采 用以智

14、能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電 路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路 中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 功率驅(qū)動單元首 先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的 直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變 器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可 以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路 是三相全橋不控整流電路。 伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高 精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的

15、高端。 20 伺服驅(qū)動內(nèi)部電路圖 21 五、編碼器和制動方式介紹 1、編碼器 編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以 通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成 電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接 觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。 增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計 數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng) 一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與 測量的中間過程無關(guān)。 22 2、制動方式 用戶往往對

16、電磁制動，再生制動，動態(tài)制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。 動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動 縮短伺服電機的機械進給距離。 再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋 到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。 電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。 三者的區(qū)別： (1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時 等情況下無法制動電機。動態(tài)制動器和電磁制動工作時不需電源。 (2)再生制動的工作是系統(tǒng)自動進行，而動態(tài)制動器和電磁制動的工作需外部 繼電器控制。 (3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動，否則可能造成放大器過載，動態(tài)制動

17、器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態(tài)制動電阻過熱。 23 六、伺服電機、步進電機的區(qū)別 步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著 本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用 十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機 也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā) 展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺 服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串 和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。 現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 一、控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6、 1.8，五

18、相混合式步進電機步距角一般為0.72 、0.36。也有 一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的 24 一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09；德國百 格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步 距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、 0.09、0.072、0.036，兼容了兩相和五相混合式步進電機的 步距角。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼 器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準 2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技 術(shù)，其脈沖當量為360/10000=0.036。對于帶17位

19、編碼器的 電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即 其脈沖當量為360/131072=0.0027，是步距角為1.8的步進 電機的脈沖當量的1/655 二、低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。 振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為 電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定 的低頻振動現(xiàn)象 25 對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一 般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼 器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)， 即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑 制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析 機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整 。 三、矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降， 且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速 （一般