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1、伺服電機知識培訓,一.伺服電機基本知識 伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。 最常見的伺服是交流永磁同步伺服電機， 伺服電機內(nèi)部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電在定子中形成變化的電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。最常見的是2500線標準編碼器配置的伺服電機。 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流

2、和交流伺服電動機兩大類。 在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)，其中，永,磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。交流伺服系統(tǒng)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)響應和運行穩(wěn)定性等方面來衡量。中低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1:1000以上，一般的在1:50001:10000，高性能的可以達到1:100000以上；定位精度一般都要達到1個脈沖，穩(wěn)速精

3、度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度比如給定1rpm時，一般的在0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達到0.01rpm以內(nèi)；動態(tài)響應方面，通常衡量的指標是系統(tǒng)最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90或者幅值不小于50。應用在特定要求高的一些場合，如伺服電機MRJ3系列的響應頻率可達900Hz，目前國內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200500Hz。運行穩(wěn)定性方面，主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負載波動、電機參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊運行條件下，維持穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標的能力。,一套典型的伺服系統(tǒng)構成: 上位機伺服驅動器伺服電機 (單片機PLC各種控制器

4、) 伺服電機編碼器伺服驅動器上位機,交流伺服電機與普通電機的區(qū)別：1、根據(jù)電機的不同應用領域，電機的種類很多。交流伺服電 機屬于控制類電機，這一點不等同普通電機。根據(jù)電機基本原理，伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，伺服電機帶編碼器反饋閉環(huán)控制，能滿足快速響應和準確定位，而普通電機構造相對簡單，沒有編碼器反饋。現(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾千瓦以上的同步伺服電機價格很貴，在大功率的現(xiàn)場應用，多采用異步伺服電機+變頻驅動。2、電機的材料、結構

5、和加工工藝，交流伺服電機要遠遠高于變頻器驅動的普通交流電機（一般交流電機或各類變頻電機）。就是說當伺服驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快時，伺服電機能產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機。當然不是說變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻器的內(nèi)部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。3、交流電機一般分為同步和異步電機：（1）、交流同步電機：就是轉子是由永磁材料構成，所以轉動后，隨著電機的定子旋轉磁場的變化，轉子也做響應頻率的速,度變化，而且轉子速度等于定子速度，所以稱“同步”。（2）、交流異步電機：轉子由感應線圈和材料構成。轉動

6、后，定子產(chǎn)生旋轉磁場，磁場切割定子的感應線圈，轉子線圈產(chǎn)生感應電流，進而轉子產(chǎn)生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化，但轉子的磁場變化永遠小于定子的變化，一旦等于就沒有變化的磁場切割轉子的感應線圈，轉子線圈中也就沒有了感應電流，轉子磁場消失，轉子失速又與定子產(chǎn)生速度差又重新獲得感應電流。所以在交流異步電機里有個關鍵的參數(shù)是轉差率就是轉子與定子的速度差的比率。 （3）、對應交流同步和異步電機，變頻器就有相應的同步變頻器和異步變頻器，伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服。當然變頻器里交流異步變頻常見，伺服則交流同步伺服常見。4、交流伺服電機與普通電機還有很多區(qū)別，可以參考一下電機學方面的書籍

7、；普通電機通常功率很大，尤其是啟動電流很大，伺服驅動器的電流容量不能滿足要求?？蓮碾姍C的尺寸就知道原因了。,二. 伺服電機發(fā)展史 從技術發(fā)展上看 第一個發(fā)展階段（20世紀60年代以前），此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅動為中心的時代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。 第二個發(fā)展階段（20世紀6070年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發(fā)展的時代，由于直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅動裝置采用了直流電動機，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機床的應用領域，永磁式直流電動機占統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好

8、。 第三個發(fā)展階段（20世紀80年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機（方波驅動），交流伺服電動機（正弦波驅動）等種種新型電動機。 進入20世紀80年代后，因為微電子技術的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。 伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進而向接近電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。,目前，

9、伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點： （1） 能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點。 （2） 可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。 （3） 數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。 （4） 硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾

10、問題，因此可靠性比較高。 （5） 采用微處理機的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統(tǒng)機聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù)。 （6） 可以設計適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統(tǒng)變化時徹底更新。 （7） 提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。 （8） 隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復雜的控制策略有了實現(xiàn)的基礎。,從國內(nèi)形勢上看 我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術，主要研究力量集中在高等院

11、校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應用方向，不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進入工業(yè)領域，直到2000年，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態(tài)，技術水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內(nèi)幾家公司相繼推出自己品牌. 1。技術狀況（1）.當前國內(nèi)外交流伺服產(chǎn)品的水平交流伺服系統(tǒng)的相關技術，一直隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。電動機、驅動、傳感和控制技術等關聯(lián)技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線

12、電機、外轉子電機等，驅動器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術，控制技術從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實用化等等。從2005年11月在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界范圍內(nèi)電氣驅動、運動控制和相關軟件的最新情況，其中交流伺服產(chǎn)品的亮點很多，代表了當前的國際水平。2。技術發(fā)展方向現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出

13、的伺服控制專用引擎)也不足為奇。,國際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每22.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短。總結國內(nèi)外伺服廠家的技術路線和產(chǎn)品路線，結合市場需求的變化，可以看到一些最新發(fā)展趨勢：高效率化，直接驅動，高速、高精、高性能化，一體化和集成化，通用化，智能化，網(wǎng)絡化和模塊化，從故障診斷到預測性維護，專用化和多樣化，小型化和大型化；其他動向如：發(fā)熱抑制、靜音化、清潔技術等。 2。市場狀況（1）.歐美和國內(nèi)市場規(guī)模以及基本走勢 根據(jù)ARC2001年的報告，當年全球伺服驅動的市場規(guī)模是20.67億美元，01年到06年的復合增長率在7以上，預

14、計全球伺服系統(tǒng)的市場規(guī)模在2006年會達到29億美金左右(這個預測包括了交流伺服和步進電機)?，F(xiàn)在回過頭來看，恐怕已經(jīng)不止這個數(shù)據(jù)，這中間經(jīng)歷了911等因素造成的02、03年的市場衰退和04年之后的恢復性增長。預計未來幾年增長率會有所提高。國內(nèi)交流伺服的市場規(guī)模2006年估計在20億人民幣左右，市場規(guī)模近3年一直保持了大于25的年復合增長率，在所有自動化產(chǎn)品中當屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國轉移，國產(chǎn)數(shù)控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)的性價比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場會繼續(xù)保持快速增長的勢頭，預計從2007到2010年復合增長率在20以上。但

15、是平均單價也將隨著競爭加劇不斷下降，每年大約下降10。,大陸伺服產(chǎn)品的用戶區(qū)域主要分布在華東、華南和華北，其中華東市場(上海、江浙和山東)占45，以廣東為主的華南和以京津為主的華北各為15左右。華中和東北大約是10。華東市場是伺服最大的消費市場，而且這個趨勢會持續(xù)下去。伺服驅動廠商面臨用戶和OEM廠家不斷變化的需求的挑戰(zhàn)，伺服驅動器的上位機可以是CNC系統(tǒng)、通用運動控制器和PLC，還有各種嵌入式控制器，他們必須不斷推出多樣化的產(chǎn)品，滿足所有運動控制領域的要求。從功率范圍上，當前100W2000W是主流，大約占整個伺服市場的70，而10kW以下的品種占到90。在轉速范圍上，大約60的用戶需要30

16、00rpm以內(nèi)的電機，另外30需要30006000轉，不到10的人需要10000rpm或以上轉速的電機。分析當前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價格和服務。這也說明目前國內(nèi)交流伺服市場還處在較低級的階段，對性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠來看，伺服廠商的關鍵成功因素應該是產(chǎn)品的性價比、可靠性、技術含量、以及市場份額和品牌影響力。 （2）.國內(nèi)市場品牌競爭狀況國內(nèi)交流伺服市場當前品牌競爭情況和10多年前的變頻器市場非常類似。當時進口(主要是日本富士和三肯)產(chǎn)品占據(jù)了90以上的市場份額，經(jīng)過10年的奮斗，國產(chǎn)變頻器已經(jīng)占據(jù)了中低端市場，在整個市場份額上與進口產(chǎn)品二分天下，

17、并涌現(xiàn)了利德華福、森蘭等一批有實力、也有技術的廠商，其中利德華福在大功率變頻器細分市場上取得絕對的領先優(yōu)勢。,最近2、3年來自臺灣的伺服廠商在國內(nèi)設廠，并加大了市場推廣的力度，主要是臺達和東元，其技術水平和價格水平都居于進口中端產(chǎn)品和國產(chǎn)品牌之間，在競爭中主要突出性價比優(yōu)勢，對國產(chǎn)品牌帶來了新的競爭壓力，市場占有率提高到大約5-10%。中國國內(nèi)的品牌主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、蘭電、珠海運控等，近期又出現(xiàn)了南京埃斯頓、無錫百科、上海鄂爾多斯、深圳眾為興等品牌，粗略計算，宣稱推出交流伺服產(chǎn)品的國產(chǎn)廠家不下20個。國產(chǎn)品牌產(chǎn)品功率范圍多在5kW以內(nèi)，技術路線上與日系產(chǎn)品接近，目前總市場占有率在10左

18、右。 展望未來，隨著伺服價格的不斷下降、交流伺服的市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為；同時臺灣、日本廠商也將在整個市場的擴大中獲益，歐美品牌的市場占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。 3。交流伺服的行業(yè)應用現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業(yè)領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設備、半導體設備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、紡織、食品包裝、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機

19、械，合計超過75。在數(shù)控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經(jīng)成為標準，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點。,在機器人領域，無刷永磁伺服系統(tǒng)得到大量應用。工業(yè)機器人擁有多個自由度，每臺工業(yè)機器人需要的電機數(shù)量在10臺以上。目前世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人擁有量超過100萬臺，機器人的需求量年增長在30以上。紡織行業(yè)當前應用伺服的比例很低，但卻是未來交流伺服大批量應用的重要行業(yè)之一。從90年代初期至今已經(jīng)15年，紡織行業(yè)技術進步主要是依靠變頻化、PLC化。只有少量紡織機械采用了高檔伺服技術，用于提高精度和效率，目

20、前已有高檔梳棉機、帶自調(diào)勻整的并條機、新型粗紗機、數(shù)控細紗機、分條整經(jīng)機、漿紗機、園網(wǎng)印花機等設備應用了交流伺服。無梭織機上已經(jīng)開始采用帶交流伺服的電子送經(jīng)和電子送經(jīng)卷取，印染設備上也要用到伺服系統(tǒng)。無軸(電子軸)傳動技術在印刷機上應用，也是目前全球印刷企業(yè)和機械制造商的焦點。包裝設備上，采用伺服控制可以提高單位時間的產(chǎn)量、提高資源利用率、增加品種適應性和提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此交流伺服在包裝機械上的廣泛使用只是時間問題。這幾年出現(xiàn)的新型電梯曳引機，采用永磁同步伺服電機做無齒輪直接驅動，取代變頻異步驅動，具有更高的控制精度、動態(tài)特性、高效率、低噪聲，已經(jīng)成為國際和國內(nèi)主要電梯廠的熱點產(chǎn)品，促進了電梯

21、產(chǎn)業(yè)的革命。國內(nèi)已有寧波申菱、沈陽博林特等電梯廠家研制出了自己的曳引機電機產(chǎn)品，配進口矢量控制變頻器或伺服驅動器。國際交流伺服市場處于恢復性增長狀態(tài)，而國內(nèi)市場在未來35年仍將維持高速增長。,三.伺服馬達選型和使用 一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式。速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運

22、算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。 1）轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著

23、纏繞半徑的變化而改變。,2）位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等主要場合。3）速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。,