伺服电机与步进电机

伺服电机步进电机区别 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。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：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，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 伺服电机和步进电机的性能比较步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8、0.9，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、 0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以山洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/8000=0.045。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.0027466，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1 /655。二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。伺服电机的选型计算方法 转数山洋公司根据客户实际要求，对于同等功率的电机可以选配不同转数的电机，一般来说，转数越低，价格越便宜。 扭矩必须满足实际需要，但是不需要像步进电机那样留有过多的余量。 惯量根据现场要求选用不同惯量的电机，如机床行业一般选用系列大惯量的伺服电机。有关提问1：我想用10V或420mA的直流电压来控制步进电机,可以吗？ 答：可以,但需要另外的转换模块。2：我有一个伺服电机带编码器的反馈,可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？ 答：可以,需要配一个编码器转测速机信号模块。3：伺服电机的码盘部分可以拆开吗？答：禁止拆开,因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。 4：步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？答：不要,最好让厂家去做,拆开后没有专业设备很难安装回原样,电机的转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏,甚至造成失磁,电机力矩大大下降。 5：伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？答：如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。6：可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？ 答：原则上是可以的,但要搞清楚电机的技术参数后才能配用,否则会大大降低应有的效果,甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决定。 7：使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗 ? 答：正常来说这不是问题,只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比,因此选择某种电源电压不会引起过速,但可能发生驱动器等故障。 此外 , 必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求,而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。 事实上,如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话 ( 低于额定电压 ) ,这是很好的。 以较低的电压 ( 因此比较低的速度 ) 运行会使得电刷运转反弹较少,而且电刷 / 换向器磨损较小,比较低的电流消耗和比较长的电机寿命。 另一方面,如果电机大小的*和性能的要求需要额外的转矩及速度,过度驱动电机也是可以的,但会牺牲产品的使用寿命。 8：如何为我的应用选择适当的供电电源 ? 答：推荐选择电源电压值比最大所需的电压高 10%-50% 。此百分比因 Kt, Ke, 以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同 , 因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此应用所有的功率需求，再增加 5% 。按 I = P/V 公式计算即可得到所需电流值。 推荐选择电源电压值比最大所需的电压高 10%-50% 。此百分比因 Kt, Ke，以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同 , 因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流,需要计算此应用所有的功率需求,再增加 5% 。按 I = P/V 公式计算即可得到所需电流值。 9：对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？ 答：不同的模式并不全部存在于所有型号的驱动器中 10： 驱动器和系统如何接地？答：如果在交流电源和驱动器直流总线(如变压器)之间没有隔离的话,不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地,这可能会导致设备损坏和人员伤害。A：因为交流的公共电压并不是对大地的,在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。 B：在多数伺服系统中,所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点上产生电流。 C：为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。 它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作(如：编码器的 5V电源)。 D：屏蔽层接地是比较困难的,有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地,或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。11：减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点? 答：如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远超过减速器的转矩等级。 如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，减速器的内部齿轮会有太多组合 ( 体积较大、材料多 ) 。 这样会使得产品价格高,且违反了产品的“高性能、小体积”原则。 12： 我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器? 答：行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时,即小体积大转矩,而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好，正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。 13：何为负载率 (duty cycle)? 答：负载率 (duty cycle) 是指电机在每个工作周期内的工作时间 / (工作时间 + 非工作时间)的比率。如果负载率低，就允许电机以 3 倍连续电流短时间运行,从而比额定连续运行时产生更大的力量。 14：标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？ 答：一般都是可以的。你可以把直线电机就当作旋转电机，如直线步进电机、有刷、无刷和交流直线电机。具体请向供应商咨询。15：直线电机是否可以垂直安装,做上下运动？ 答：可以。根据用户的要求,垂直安装时我们可以加装动子滑块平衡装置或加装导轨抱闸刹车。16：在同一个平台上可以安装多个动子吗？ 答：可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。17：是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？ 答：可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。18：使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？答：由于定子和动子之间没有机械连接,所以消除了背隙、磨损、卡死问题，运动更加平滑。突出了更高精度、高速度、高加速度、响应快、运动平滑、控制精度高、可靠性好体积紧凑、外形高度低、长寿命、免维护等特点。19：如何选用电动缸、滑台、精密平台类产品？其成本是如何计算的？ 答：选择致动执行器类产品关键要看您对运动参数有什么样的要求，可以根据您需要的应用来确定具体运动参数等技术条件，这些参数要符合您的实际需要，既要满足应用要求并留有余地，也不要提得太高，否则其成本可能会数倍于标准型产品。举例来说,如果0.1mm精度够用的话，就不要选0.01mm的参数。其它如负载能力、速度等也是如此。 另外一个给用户的选型建议是，如果不是必须,推拉力或负重、速度、定位精度这三个主要参数不要同时要求很高，因为致动执行器是一个高精度高技术的机电一体化产品，我们在设计制造时需要从机械结构、电气性能、材料特性、材质和处理方法等多方面考虑并选择相应的组成电机、驱动控制器和反馈装置，以及不同精度等级的导轨、丝杆、支撑座和其它机械系统，使之达到需要的整体运动参数，可谓牵一发动全身的产品。当然,您有高要求的产品需要，我们还是可以满足，只是成本会相应的提高 。20：什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：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，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。21：请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： l 电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。l 定子绕组散热比较方便。l 惯量小，易于提高系统的快速性。l 适应于高速大力矩工作状态。l 同功率下有较小的体积和重量。 自从德国的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.252.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.0160.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24降低到7，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.056kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的12，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。 美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服 驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。 美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。 I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84111.2N.m，功率范围为0.5415.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列， 最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。 爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。 法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型） 交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。 原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中By系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为735N.m。2By系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1170N.m，配套的是3型控制器。 近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.035kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.754.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.55kW，有7种规格。 韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W5kW。 现在常采用摴时浠蕯（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。 按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。直流伺服电机直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性,可很方便地在宽范围内实现平滑无极调速,故多采用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。直流伺服电机的结构主要包括三大部分：1. 定子定子磁极磁场由定子的磁极产生.根据产生磁场的方式,直流伺服电动机可分为永磁式和他激式，永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场.2. 转子又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。3. 电刷与换向片电刷与换向片为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，如图4-4所示：他激直流电机转子上的载流导体(即电枢绕组)，在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转，由直流电机的基本原理分析得到：n=(u-IaRa)/ke；式中:n电枢的转速,r/min；u电枢电压；Ia 电机电枢电流；Ra电枢电阻；ke电势系数(ke=Ce)；由式中可知,调节电机的转速有三种方法：(1)改变电枢电压u，调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速；(2)变磁通量(即改变ke的值).改变激磁回路的电阻Rf以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速，若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量；(3)在电枢回路中串联调节电阻Rt(图中无表示)，此时有n=u-Ia(Ra+Rt)/ke从式中可知,在电枢回路中串联电阻的办法，转速只能调低,而且电阻上的铜耗较大，这种办法并不经济，仅用于较少的场合。交流伺服电机的结构与控制工作原理 交流伺服电机与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的uVW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。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。 为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。 必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。 PLC控制伺服电机的方法与实例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。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 换一种说法是： 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，例如饶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、印刷机械等等。 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，在有上位机控制装置的外环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。伺服电机有三种控制模式：速度控制，位置控制，转矩控制由伺服电机驱动器的Pr02参数与32(C-MODE)端子状态选择，本文简要介绍位置模式的控制方法。一、按照伺服电机驱动器说明书上的连接导线:3(PULS1)，4(PULS2)为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),PULS2连接控制器(如PLC的输出端子)。5(SIGN1)，6(SIGN2)为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),SIGN2连接控制器(如PLC的输出端子)。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41，P42这两个参数控制。7(com+)与外接24V直流电源的正极相连29(SRV-0N),伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，通俗地讲就是伺服电机已经准备好，接收脉冲即可以运转。上面所述的六根线连接完毕(电源、编码器、电机线当然不能忘)，伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据您的要求接入控制器。构成更完善的控制系统。二、设置伺服电机驱动器的参数1、Pr02控制模式选择，设定Pr02参数为0或是3或是4。3与4的区别在于当32(C-MODE)端子为短路时，控制模式相应变为速度模式或是转矩模式，而设为0，则只为位置控制模式。如果您只要求位置控制的话，Pr02设定为0或是3或是4是一样的。2、Pr10，Pr11,Pr12增益与积分调整，在运行中根据伺服电机的运行情况相应调整,达到伺服电机运行平稳。当然其他的参数也需要调整(Pr13，Pr14,Pr15,Pr16，Pr20也是很重要的参数)，在您不太熟悉前只调整这三个参数也可以满足基本的要求. 3、Pr40指令脉冲输入选择，默认为光耦输入(设为0)即可。也就是选择3(PULS1)，4(PULS2)，5(SIGN1)，6(SIGN2)这四个端子输入脉冲与方向信号。4、Pr41，Pr42简单地说就是控制伺服电机运转方向。Pr41设为0时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)导通时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)。Pr41设为1时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)断开时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)。(正、反方向是相对的，看您如何定义了，正确的说法应该为CCW，CW).5、Pr46,Pr4A,Pr4B电子齿轮比设定。此为重要参数，其作用就是控制电机的运转速度与控制器发送一个脉冲时电机的行走长度。其公式为：伺服电机每转一圈所需的脉冲数=编码器分辨率 Pr4B(Pr46 2Pr4A)伺服电机所配编码器如果为:2500p/r 5线制增量式编码器，则编码器分辨率为10000p/r如您连接伺服电机轴的丝杆间距为20mm，您要做到控制器发送一个脉冲伺服电机行走长度为一个丝(0.01mm)。计算得知：伺服电机转一圈需要2000个脉冲。(每转一圈所需脉冲确定了，脉冲频率与伺服电机的速度的关系也就确定了)三个参数可以设定为：Pr4A=0，Pr46=10000，Pr4B=2000，约分一下则为：Pr4A=0，Pr46=100，Pr4B=20。从上面的叙述可知:设定Pr46,Pr4A,Pr4B这三个参数是根据我们控制器所能发送的最大脉冲频率与工艺所要求的精度。在控制器的最大发送脉冲频率确定后，工艺精度要求越高，则伺服电机能达到的最大速度越低。做好上面的工作，编制好PLC程序，我们就可以控制伺服运转了。永磁交直流电动机 BE2 | / 8 R& M$ K* N直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动；交流电机是磁场旋转运动，而导体不动。直流电动机分为定子绕组和转子绕组。定子绕组产生磁场。当通直流电时。定子绕组产生固定极性的磁场。转子通直流电在磁场中受力。于是转子在磁场中受力就旋转起来。直流电机构造复杂、造价高。交流电动机分定子绕组和转子导体。转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片。有的交流电动机转子也有绕组。直流无刷伺服电机% t2 r7 x# z$ V E$ |9 7 o) g1、伺服驱动器给电机的不是脉冲信号，而是脉宽调治信号，也就是PWM信号，驱动器靠调节脉宽来控制电机的转速与扭力，当占空比为0时停止，为100时全速运行（只是举个例子，不一定是这样），所以驱动器控制电机的频率是靠伺服驱动器内部独立完成的。2、用模拟量控制的时候，也是靠脉宽调治信号来控制电机的，只不过你上位机的控制方式变了，由发脉冲控制变成+/-10V模拟量来控制了，但只是上位机控制驱动器的方式变了，驱动器控制电机依旧是脉宽调治信号不变。3、伺服电机有很多种，比如交流永磁同步电机，比如直流有刷电机，比如直流无刷电机，或者力矩电机什么的，都可以统称为伺服电机。伺服系统控制芯片简介本系统采用了瑞萨M16CTiny系列单片机M16C0262F8，是瑞萨公司专为电机控制设计的高性能、低价位的定点单片机芯片，以16位定点CPU为内核，48针的QFP封装，并且具有专门的三相马达控制用的定时功能，具有以1个时钟周期执行的指令，实现了高速运算处理。无论使用汇编语言还是使用c语言，都能开发，并且将频繁使用的指令分配成l字节的操作码，所以开发的程序相对来说占用存储容量小的且效率高。另外，具有内部乘法器，能进行高速乘法运算。内部结构框图如图43所示。图4-3411储存器的配置M16CTiny单片机芯片内包含有用来存储指令及数据的ROM和RAM，也可以使用外部存储器，有1M字节的线性地址空间，寻址地址空间从00000H到FFFFFH。从00016H到003FFH为专用寄存器区(SFR)的地址范围；IO口、AD转换器，串行口和定时器等内置周边电路所用的控制寄存器均位于此区域内。从00400H往高低址延伸的一段是RAM区，除存储数据外，也可用于存放调用子程序或产生中断时的堆栈数据。从FFFFFH到FFFDCH单元中存放固定的中断矢量表，固定向量表为地址固定的向量表；从FFFDBH到FFEOOH单元配置为专用页向量表，专用页向量表中1个向量表由2个字节构成。在各向量表中设定子程序的起始地址的低16位。并且，每个向量表都有专用页号(18-255)，在JSRS及JMPS指令中，使用此专用页号。412内部处理器芯片M16C0262F8体积和管脚都减少了，。但是内核确是以M16C60型高档单片机作为核心处理器，采用高性能硅栅CMOS工艺，具有超低功耗、极强的抗干扰能力。中央处理器共有13个寄存器，其中R0、R1、R2、R3为16位数据寄存器，主要用于传送、算术和逻辑运算，部分寄存器可以拆分或合并成8位或者32位寄存器使用。A0、A1为16位地址寄存器，某些指令中，也能合并成32位地址寄存器使用，用于地址寄存器间接寻址和地址寄存器相对寻址。七个寄存器r(R0、R1、R2、R3、A0，A17f=IIFB)为双份，可用寄存器区选择标志在两个工作寄存器区之间进行选择。另外还包括帧基址寄存器、程序计数器、中断表格寄存器、用户堆栈指针、中断堆栈指针、静态基址寄存器、标志寄存器。413中断系统按中断产生的原因可分为软中断和硬中断。软中断由某些特定指令产生，不可屏蔽。硬中断又分为不可屏蔽的特殊中断和可以屏蔽的外设IO中断，可屏蔽中断能通过中断允许标志(I标志)控制中断的允许(禁止)或者能通过中断优先级改变中断优先权。软件中断号是0-63，执行INT指令，就产生INT指令中断，查对应向量表读取中断入口地址，执行中断子程序。另外，由于软件中断号0-31分配给外围IO中断，因此能通过执行INT指令，执行和外围IO中断相同的中断程序。INT指令中断中使用的堆栈指针(SP)根据软件中断号而不同。对于软件中断号031，当接受中断请求时将堆栈指针指定标志(U标志)压栈，然后在将u标志清“0，选择中断堆栈指针(ISP)后，执行中断响应顺序。在从中断程序返回时，恢复接受中断请求前的U标志。对于软件中断号32-63，不切换堆栈指针。414可编程IO口M16C22单片机共有38个可编程IO口，P15P17，P6，P7，P8(除TP84)，P90P93，和P10。每个口可用方向寄存器独立设为输入或输出，上拉电阻以四个口为单位进行设置。415AD转换功能具有一个片内8路逐次逼近AD转换器，可选用8位或10位的分辨率，对输入的模拟信号可以进行采样保持处理，并且有5中工作模式可以选择。单片机的AD转换器方框图如图44所示。416三相电机驱动功能定时器A1、A2、A4和定时器B2构成三相PWM模式，能实现三角波调制和锯齿波调制，还为定时器AI、A2、A4设计了三个8位的短路保护寄存器，通过专用死区时间定时器(DTT)给三个寄存器设定死区时间。 图44单片机的AD转换器方框图417指令系统具有相对丰富的寻址方式的91种指令的指令集，其中20种指令为1个周期指令具有适合c语言指令，能进行寄存器一寄存器、寄存器。存储器、存储器一存储器之间的运算，具有强大位处理能力和4位传送指令。42系统相电流检测电路电流控制是交流伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速度，改善控制性能的关键。伺服系统要求电流控制环节具有输出电流谐波分量小、响应速度快等性能。Id=0的矢量控制中需要知道电动机定子的三相相电流。目前一般使用电流检测电路，有霍尔传感器和采样电阻两种方法，本文选用的是BesTeKs公司的型号为CTl075A霍尔电流传感器，交直流都可以测量，最大检测电流是4-150A，供电电压为4-15V(4-5)，检测输出电压为4-4V+40MV，由其设计的电流检测电路如图45所示。图45电流检测电路利用霍尔效应原理，将电流量转化为一4V至4V之间，为了与单片机AD接口较好匹配，对输出电压进行适当的调节，在传感器输出端和地之间串联两个等值电阻，取中间点输出电压作为D转换输入信号。模拟信号CUR W和CUR U分别送到单片机的模拟信号输入I：IANo和ANl，参考电压是5V，分辨率为8位，无采样保持，单次扫描模式，软件触发，AD转换的工作时钟是10MHZ。通过定时中断的方式对AD转换后的电流信号采样，在检测过程中不可避免的混入干扰信号，本系统采用算术平均值滤波器来滤除干扰。对电流信号连续取256个采样值，求和然后通过左移8位的方式，计算电流平均值作为参考值。43系统位置检测电路及速度计算431转子位置检测永磁同步电机矢量控制系统在进行坐标转换的时候，需要精确的转子位置信息以对控制电流进行调整，使得定子和转子磁链始终保持稳定的相对位置关系，从而产生恒定的转矩，提高控制系统的精度。在前面章节中已经说过，本系统的转子位置检测采用增量式磁性编码器电编码器，编码器接口电路图如图46所示。从理论上讲增量式磁性编码器产生0、“l”交替方波信号，且相位相差90。的两路脉冲信号，随着转子的旋转这两路信号通过单片机的IO接口送入计数器进行计数，从而得到电机转子的位置信号、正反转信号。实际上，编码器是固定在电机上的，距离控制芯片较远，为了保证传输信号的质量，编码器输出信号采用差模方式，输出士A，士B，士C和+ID四组方波脉冲，然后通过差分接收器26LS32输出单路信号。电机每转一周，磁式编码器产生两路各256个方波信号S1和S2，以及零位脉冲信号INDEXIN。A和B两相信号的脉冲数代表编码器轴所转过的角度，S1和S2两相之间的相位关系判断电机转子的转向，当Sl相超前S2相90。时，标志转子正转；当S2相超前Sl相90。时，标志转子反转。把S1和s2信号分别送到单片机的TA3IN和TA30UT，TA3设置为两相脉冲乘四处理模式，这样就可以提高磁性编码器的测量精度。所谓四倍频，即采用计数器TA3对Sl和S2相两路方波的上升沿和下降沿都进行计数，则电机旋转一个周期的计数次数是原来脉冲数的四倍，工作原理图如图47所示。当TA30UT引脚上的输入为“高时，TA3IN引脚也为“高”，则定时器对TA30UT和TA3IN的上升沿或下降沿作加计数；反过来，当TA30UT引脚上的输入为“高时，而TA3IN引脚也为“低，则定时器对TA30UT和TA3IN的上升沿或下降沿作减计数。46编码器接口电路图图47工作原理图对于本系统采用的增量式编码器经过四倍频后，每旋转一周共产生1024个脉冲，提高了系统的分辨率。INDEX IN送到单片机的INT0端口。432转子速度计算利用编码器的输出信号不仅能获取电动机转子位置的信息，而且可以计算出转子的转速，常用的计算方法有M法、T法和MT法测速。本系统采用的是M法测速，就是在规定的时间内读取编码器输出的脉冲个数，用以计算这段时间内的平转速，称为T法测速。编码器每转动一圈共产生m个脉冲，则根据公式： 公式1其中N为编码器每转输出的脉冲个数。本系统速度环的采样周期是1毫秒，所以式中T=lms，N=1024。44系统功率驱动电路系统采用交一直交电压源型变频电路对电动机供电，主电路由整流电路、过压过流保护电路以及智能功率模块(IPM)逆变电路构成。智能功率模块一般都由高速低功耗的功率器件和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM模块的使用，不仅减小了系统的体积，缩短了开发时间，同时增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，利用IPM完善的控制功能和高可靠性，与微处理器相结合构成地智能控制系统，在电子领域得到了越来越广泛的应用。本系统使用的是日本三菱公司生产的型号为PS21564IPM模块，该模块是第三代智能IPM功率模块，采用第5代IGBT工艺，内置优化后的栅级驱动和保护电路，以超小型体积，输出功率强劲的三相波形。第三代DIPIPM产品具有如下特点：a)智能IPM功率模块低成本单模封装；b)智能IPM功率模块管脚与第二代DIPIPM完全兼容；c)应用HVIC实现集成电平转移；d)高电平导通逻辑，可与DSPMCU接口兼容；e)智能IPM功率模块内置短路、欠压保护电路；f)输入信号端内置下拉电阻，外部无须再下拉电阻；曲智能IPM功率模块热阻低，易于散热；h)智能IPM功率模块智能IPM功率模块2500V绝缘耐压；表41控制端口定义PS21564IPM模块最高工作电压是600V，最大工作电流是15A，最大开关频率是20KHZ，其内部功能框图如图48所示，控制端口定义如表41。图48 PS21564内部功能框图图4-9IPM的接口电路本系统的IPM接口电路如图49所示，在P端口输入直流正电压，由VPl端口输入芯片工作电压16V，单片机通过检测电流输出信号端口FO，对IMP进行过流保护。伺服控制系统控制原理一、伺服控制系统在机电系统中，伺服控制过程一般是以能量较弱的电信号实现对执行部件的运动或输出力的有效控制。所以，伺服系统应当具备明显的“功率放大”作用。如：大型客机的起落架收放系统和操纵翼面的驱动系统一般都用电液伺服系统来实现。在喷气式战斗机、汽车上是采用“液压增力器”的方式来减轻驾驶员的操纵力，这种系统并不去除原有的机械联系，因此，当电液伺服系统失效时，依然能够实现手动操纵，保证了操纵的可靠性。图1-1开环运动伺服控制系统的组成图1-2闭环运动伺服控制系统的组成伺服控制系统有开环和闭环两类。开环系统直接将输入信号经过功率放大送到执行装置中，其执行的准确性靠执行装置自身性能来保证，其系统组成见图闭环运动伺服控制系统的组成如图所示。在这种具有反馈环节的伺服系统组成中，系统的执行误差是依靠反馈来补正的，传统控制理论认为反馈能够提高系统的工作性能，因此作了很深入的研究。但从本质上看，在进行伺服控制时，从控制信息的输入到运动准确地执行必须经过一个信息传输和处理的过程，而伺服物理系统的输入信息是原始控制信息与系统执行结果的反馈信息之综合。因此，系统的执行结果必然永远落后于系统的输入。由此可见，具有反馈环节的伺服控制过程实际上是十分复杂的，不能简单地认为有反馈环节的闭环系统性能一定比开环系统好。随着各种伺服驱动系统市场化、商品化进程的日渐成熟，将运动检测装置直接连接在伺服电动机转轴上的方式显得更加方便，也有利于商品化系统的自我完善。因此，把反馈检测环节安排在伺服电动机转轴上、而不是在运动伺服系统真实末端的“半闭环”伺服系统在工程应用上往往更为普遍。在半闭环系统中，伺服系统只保证从输入信号到伺服电动机转轴端的控制，运动的真实输出质量将与伺服电动机之后的机械传动结构性能密切相关，所以在运动伺服控制中，机械结构的设计水平仍然显得十分重要。自从电子计算机出现以后，电气自动化领域发生了巨大的变化。尤其是近几十年来，计算机的软、硬件技术的发展速度正所谓是突飞猛进，据有关资料介绍，当代计算机的发展态势是：每经过十八个月，其运算速度就要增加一倍，体积和重量将缩小一倍，而价格却会降低一半！充分应用电子计算机的“数字化”技术现在已经对伺服控制系统的发展产生极大的影响。一般情况下，对伺服系统性能的主要要求是：稳定性、工作精度和快速响应性三方面。稳定性是指系统在规定输入或外界干扰的作用下，在短时间调节之后能够恢复到原有的或者新的平衡状态的能力。精度是系统的输出对于输入信号要求所符合的程度。快速响应是反映系统输出对于输入信号跟随的速度。这三方面的要求既相互联系、又相互制约，在设计、调试系统时要综合考虑。二、伺服系统的反馈反馈环节在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。当系统具有反馈环节时，系统的输入由同时观察到的系统的各种输出确定，输入输出都是时间的函数。应用反馈后，可以得到伺服系统各种输出和它们所对应的各个目标值的实时误差，再由这种测量到的误差来减少实际执行误差。这样便形成了输入一系统一输出一测量一比较误差一输入的一个环路，因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。按照经典控制理论，以传递函数方式表达含反馈环节的闭环系统框图如图1-3依据习惯表示方法， R(s)是系统的输入， E(s)是系统的输出，G(s)系统自身的开环传递函数为，反馈环节的增益为H(s)此时，系统的输入、输出关系是：图1-3闭环系统框图与开环情况相比较，增加反馈环节之后，系统对自身参数变动的敏感性及对外界干扰的敏感性都将得到较好的抑制。因此，系统的工作性能将更加稳定。图闭环系统框图许多情况下，对于实际工程装置的系统化建模及分析不会完全正确，或者由于许多客观条件的限制，建模只能基于许多简化的假设，从而使之变得不确切。另外，也可能因为各种外界的干扰，使输出的检测包含了不少噪声污染，这种种影响都会使伺服控制性能变坏。有效的反馈可以减少这些不确定性的影响、补偿各种因素所引起的误差。反馈环节由运动参数测量单元（传感器）和反馈信号处理电路（反馈接口电路）组成。测速发电机、旋转变压器、精密变阻式角位移传感器等是典型的常用模拟量运动参数传感器，而旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅等是数字式运动参数测量传感器。关于传感器方面的基本知识可从相关测试技术课程中获取，在此应当注意的是：各类传感器都有其特定的适用条件，在选用传感器时要特别注意。反馈的概念很广泛，它包括当前系统中的多回路、非线性和自适应反馈，以及将来的智能反馈。广义地说，反馈可以看作描述和理解许多复杂物理系统中所发生的循环交互作用的方式。因而，全面