伺服系統(tǒng)總結(jié)(電機(jī)和驅(qū)動(dòng))

伺服系統(tǒng)介紹2021/5/91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(jī)伺服驅(qū)動(dòng)編碼器以及制動(dòng)方式介紹伺服與步進(jìn)區(qū)別伺服選型2021/5/92一、伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)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(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)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(jī)電伺服系統(tǒng)。2021/5/93詳細(xì)解釋：伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)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(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)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(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。2021/5/94二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理以及分類

1、結(jié)構(gòu)原理最基本的伺服系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件（電機(jī)、液壓缸等）、反饋元件和伺服驅(qū)動(dòng)器，但是要讓這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來還需要一個(gè)上位機(jī)構(gòu)，PLC,專門的運(yùn)動(dòng)控制卡，工控機(jī)+PCI卡，以便于給伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置,反饋裝置和電動(dòng)機(jī).控制器按照的給定值和通過反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差,調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)之上,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小,另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電;電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn).（如圖一所示）2021/5/95位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋圖一2021/5/96伺服控制經(jīng)典電路圖2021/5/972、系統(tǒng)分類

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(hào)作用特點(diǎn)分類.分為模擬量控制和數(shù)字量控制.(2)按驅(qū)動(dòng)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(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)(液壓控制系統(tǒng))和氣動(dòng)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:2021/5/98(1)液壓伺服控制系統(tǒng)液壓伺服控制系統(tǒng)是以電機(jī)提供動(dòng)力基礎(chǔ)，使用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動(dòng)液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動(dòng)液壓缸做出不同行程、不同方向的動(dòng)作，完成各種設(shè)備不同的動(dòng)作需要。液壓伺服控制系統(tǒng)按照偏差信號(hào)獲得和傳遞方式的不同分為機(jī)-液、電-液、氣-液等,其中應(yīng)用較多的是機(jī)-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(jī)械設(shè)備中,主要有機(jī)-液伺服系統(tǒng)和電-液伺服系統(tǒng)。2021/5/99(2)交流伺服控制系統(tǒng)交流伺服控制系統(tǒng)包括基于異步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動(dòng)機(jī)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(diǎn)外，具有一系列優(yōu)點(diǎn)。它的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)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(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)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(gè)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(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。2021/5/910(4)電液伺服控制系統(tǒng)它是一種由電信號(hào)處理裝置和液壓動(dòng)力機(jī)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(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。因此在選擇或者購(gòu)買的時(shí)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(shí)現(xiàn)的性能，通過計(jì)算后在選擇合適的產(chǎn)品。2021/5/911三、伺服電機(jī)1、伺服電機(jī)簡(jiǎn)介：伺服電機(jī)(servomotor)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。2021/5/912伺服電機(jī)主要分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，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(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)）由于主要用于控制，因此市面上大多的伺服電機(jī)通常是指永磁同步電機(jī)，因?yàn)槠淇刂祈憫?yīng)性能最優(yōu)；久而久之，大家日常說道的伺服電機(jī)通常都是指永磁同步電機(jī)。

2021/5/9132、電機(jī)特點(diǎn)：直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求高。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)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(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)行的應(yīng)用。2021/5/9142021/5/9153、永磁同步伺服電機(jī)永磁同步伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。特點(diǎn)如下：控制速度非?？?，從啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速只需幾毫秒；而相同情況下異步電機(jī)卻需要幾秒鐘。啟動(dòng)扭矩大，可以帶動(dòng)大慣量的物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

功率密度大，相同功率范圍下相比異步電機(jī)可以把體積做得更小、重量做得更輕。運(yùn)行效率高。

可支持低速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。斷電無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可快速控制停止動(dòng)作。2021/5/916同步型交流伺服電機(jī)同步型結(jié)構(gòu)較異步電機(jī)復(fù)雜，但比直流電機(jī)簡(jiǎn)單。其定子與異步電機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)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(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。

但隨著異步電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前以模擬信號(hào)控制的異步電機(jī)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(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此異步伺服電機(jī)作為伺服電機(jī)行業(yè)的一股新生力量也在漸露頭角。2021/5/9174、異步伺服電機(jī)異步伺服電機(jī)實(shí)際上和異步電機(jī)是幾乎完全相似的，不過其引入了編碼器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，因此也可以視為伺服電機(jī)的一種。尤其是當(dāng)前變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，異步伺服電機(jī)的實(shí)際控制性能也很不錯(cuò)，配合其支持大功率、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，在一些永磁同步電機(jī)無法勝任的地方大放異彩。特點(diǎn)如下：功率可以做得很大，設(shè)計(jì)成熟，運(yùn)行可靠性高。支持高速（過10000rpm）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，同比下永磁電機(jī)最高只能做到6000~8000rpm轉(zhuǎn)速。

性價(jià)比高，在對(duì)控制精度要求不高的情況下可以替代永磁電機(jī)使用。異步型交流伺服電機(jī)分為三相和單相，最受歡迎的是鼠籠式三相感應(yīng)電機(jī)。有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)優(yōu)、輕巧等特點(diǎn)，與同容量的直流伺服相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格為直流的1/3。但物無完物，它也有缺點(diǎn)，即無法經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流，容易損壞電網(wǎng)功率因數(shù)。2021/5/918四、伺服驅(qū)動(dòng)器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)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(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡(jiǎn)單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰Ｋ欧?qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)的高端。2021/5/919伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路圖2021/5/920五、編碼器和制動(dòng)方式介紹1、編碼器編碼器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)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(hào)，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(duì)式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。2021/5/9212、制動(dòng)方式用戶往往對(duì)電磁制動(dòng)，再生制動(dòng)，動(dòng)態(tài)制動(dòng)的作用混淆，選擇了錯(cuò)誤的配件。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成，在故障、急停、電源斷電時(shí)通過能耗制動(dòng)縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給距離。再生制動(dòng)是指伺服電機(jī)在減速或停車時(shí)將制動(dòng)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(dòng)是通過機(jī)械裝置鎖住電機(jī)的軸。三者的區(qū)別：(1)再生制動(dòng)必須在伺服器正常工作時(shí)才起作用，在故障、急停、電源斷電時(shí)等情況下無法制動(dòng)電機(jī)。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)工作時(shí)不需電源。(2)再生制動(dòng)的工作是系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行，而動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)的工作需外部繼電器控制。(3)電磁制動(dòng)一般在SV、OFF后啟動(dòng)，否則可能造成放大器過載，動(dòng)態(tài)制動(dòng)器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動(dòng)，否則可能造成動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻過熱。2021/5/922六、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(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(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、

1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的2021/5/923一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的步距角。

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)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(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655二、低頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象2021/5/924對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。三、矩頻特性不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000R