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伺服电机知识培训,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1:50001:10000，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MRJ3系列的响应频率可达900Hz，目前国内主流产品的频率在200500Hz。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。,一套典型的伺服系统构成: 上位机伺服驱动器伺服电机 (单片机PLC各种控制器) 伺服电机编码器伺服驱动器上位机,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。,二. 伺服电机发展史 从技术发展上看 第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。 第二个发展阶段（20世纪6070年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。 进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。 伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。,目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点： （1） 能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。 （2） 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。 （3） 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。 （4） 硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。 （5） 采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。 （6） 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。 （7） 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。 （8） 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。,从国内形势上看 我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家公司相继推出自己品牌. 1。技术状况（1）.当前国内外交流伺服产品的水平交流伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等。从2005年11月在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览上可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新情况，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平。2。技术发展方向现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块(比如IR推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。,国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每22.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到一些最新发展趋势：高效率化，直接驱动，高速、高精、高性能化，一体化和集成化，通用化，智能化，网络化和模块化，从故障诊断到预测性维护，专用化和多样化，小型化和大型化；其他动向如：发热抑制、静音化、清洁技术等。 2。市场状况（1）.欧美和国内市场规模以及基本走势 根据ARC2001年的报告，当年全球伺服驱动的市场规模是20.67亿美元，01年到06年的复合增长率在7以上，预计全球伺服系统的市场规模在2006年会达到29亿美金左右(这个预测包括了交流伺服和步进电机)。现在回过头来看，恐怕已经不止这个数据，这中间经历了911等因素造成的02、03年的市场衰退和04年之后的恢复性增长。预计未来几年增长率会有所提高。国内交流伺服的市场规模2006年估计在20亿人民币左右，市场规模近3年一直保持了大于25的年复合增长率，在所有自动化产品中当属发展最快之列。而且随着世界制造业加速向中国转移，国产数控装备在国家政策的扶持下快速向高性能、高附加值发展，国产交流伺服系统的性价比快速提高，交流伺服系统的市场会继续保持快速增长的势头，预计从2007到2010年复合增长率在20以上。但是平均单价也将随着竞争加剧不断下降，每年大约下降10。,大陆伺服产品的用户区域主要分布在华东、华南和华北，其中华东市场(上海、江浙和山东)占45，以广东为主的华南和以京津为主的华北各为15左右。华中和东北大约是10。华东市场是伺服最大的消费市场，而且这个趋势会持续下去。伺服驱动厂商面临用户和OEM厂家不断变化的需求的挑战，伺服驱动器的上位机可以是CNC系统、通用运动控制器和PLC，还有各种嵌入式控制器，他们必须不断推出多样化的产品，满足所有运动控制领域的要求。从功率范围上，当前100W2000W是主流，大约占整个伺服市场的70，而10kW以下的品种占到90。在转速范围上，大约60的用户需要3000rpm以内的电机，另外30需要30006000转，不到10的人需要10000rpm或以上转速的电机。分析当前国内用户的购买因素，占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前国内交流伺服市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。 （2）.国内市场品牌竞争状况国内交流伺服市场当前品牌竞争情况和10多年前的变频器市场非常类似。当时进口(主要是日本富士和三肯)产品占据了90以上的市场份额，经过10年的奋斗，国产变频器已经占据了中低端市场，在整个市场份额上与进口产品二分天下，并涌现了利德华福、森兰等一批有实力、也有技术的厂商，其中利德华福在大功率变频器细分市场上取得绝对的领先优势。,最近2、3年来自台湾的伺服厂商在国内设厂，并加大了市场推广的力度，主要是台达和东元，其技术水平和价格水平都居于进口中端产品和国产品牌之间，在竞争中主要突出性价比优势，对国产品牌带来了新的竞争压力，市场占有率提高到大约5-10%。中国国内的品牌主要有华中数控、广州数控、兰电、珠海运控等，近期又出现了南京埃斯顿、无锡百科、上海鄂尔多斯、深圳众为兴等品牌，粗略计算，宣称推出交流伺服产品的国产厂家不下20个。国产品牌产品功率范围多在5kW以内，技术路线上与日系产品接近，目前总市场占有率在10左右。 展望未来，随着伺服价格的不断下降、交流伺服的市场接受度不断上升，中低端市场有非常大的增长空间，因此本土厂商仍将有很大作为；同时台湾、日本厂商也将在整个市场的扩大中获益，欧美品牌的市场占有率将逐渐下降，但仍将保持很高的毛利水平。 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、园网印花机等设备应用了交流伺服。无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子送经卷取，印染设备上也要用到伺服系统。无轴(电子轴)传动技术在印刷机上应用，也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。包装设备上，采用伺服控制可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量，因此交流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。这几年出现的新型电梯曳引机，采用永磁同步伺服电机做无齿轮直接驱动，取代变频异步驱动，具有更高的控制精度、动态特性、高效率、低噪声，已经成为国际和国内主要电梯厂的热点产品，促进了电梯产业的革命。国内已有宁波申菱、沈阳博林特等电梯厂家研制出了自己的曳引机电机产品，配进口矢量控制变频器或伺服驱动器。国际交流伺服市场处于恢复性增长状态，而国内市场在未来35年仍将维持高速增长。,三.伺服马达选型和使用 一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。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。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。 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，具体表现为例如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（通常在有重力负载情况下产生）。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，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。,2）位置控制：位置控制模式一般是通过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、印刷机械等主要场合。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，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。,