交流伺服电动机 2.docx
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交流伺服电动机2
熟悉PLC、触摸屏、变频器及运动控制，伺服电机等，从事过电气调试现场经验工作2年以上。
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两种方式要么是模拟量控制，从PLC上的模拟输出口（±10V），连接到伺服驱动器的模拟输入端，主要是用作速度控制。
若要做位置控制，需要接PLC上的脉冲输出和方向输出端口，相应的在伺服驱动器上也有同样的输入接口
交流伺服电机的工作原理
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）。
4.什么是伺服电机？
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，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：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。
变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。
但伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。
除此外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和准确定位。
现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几KW以上的同步伺服价格及其昂贵，这样在现场应用允许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。
所谓伺服就是要满足准确、精确、快速定位，只要满足就不存在伺服变频之争。
一、两者的共同点：
交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节：
变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各zzza类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/p，n转速，f频率，p极对数）
二、谈谈变频器：
简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。
现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；ABB的变频又提出和这样方式不同的直接转矩控制技术，具体请查阅有关资料。
这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。
三、谈谈伺服：
驱动器方面：
伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。
通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。
电机方面：
伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化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，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。
就是说不是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，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。
当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！
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四、谈谈交流电机：
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=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。
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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映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。
五、应用
由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同：
1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。
现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但好象不能直接控制位置。
2、在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代，关键是两点：
一是价格伺服远远高于变频，二是功率的原因：
变频最大的能做到几百KW，甚至更高，伺服最大就几十KW。
就最后一点说下，现在伺服也能做到几百KW了。
交流伺服电动机
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；
另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
目前应用较多的转子结构有两种形式：
一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。
当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
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：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
伺服电动机与单相异步电动机比较
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：
1、起动转矩大
由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。
它可使临界转差率S0>1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。
因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。
2、运行范围较广
3、无自转现象
正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。
当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。
交流伺服电动机运行平稳、噪音小。
但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。
调试方法
1、初始化参数
在接线之前，先初始化参数。
[2]
在控制卡上：
选好控制方式；将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制卡再次上电时即为此状态。
在伺服电机上：
设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。
一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。
比如，山洋是设置1V电压对应的转速，出厂值为500，如果你只准备让电机在1000转以下工作，那么，将这个参数设置为111。
2、接线
将控制卡断电，连接控制卡与伺服之间的信号线。
以下的线是必须要接的：
控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。
复查接线没有错误后，电机和控制卡（以及PC）上电。
此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。
用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置
3、试方向
对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。
通过控制卡打开伺服的使能信号。
这是伺服应该以一个较低的速度转动，这就是传说中的“零漂”。
一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。
使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。
如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。
确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。
如果电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。
测试不要给过大的电压，建议在1V以下。
如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。
4、抑制零漂
在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。
使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。
由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。
5、建立闭环控制
再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益，至于多大算较小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制卡能允许的最小值。
将控制卡和伺服的使能信号打开。
这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。
6、调整闭环参数
细调控制参数，确保电机按照控制卡的指令运动，这是必须要做的工作，而这部分工作，更多的是经验，这里只能从略了。
性能比较
伺服电机与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。
如三洋公司（SANYODENKI）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。
以三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300～600RPM。
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。
以三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200～400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。
选型计算
一、转速和编码器分辨率的确认。
二、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。
三、计算负载惯量，惯量的匹配,安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。
四、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。
五、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。
制动方式
用户往往对电磁制动，再生制动，动态制动的作用混淆，选择了错误的配件。
动态制动器由动态制动电阻组成，在故障、急停、电源断电时通过能耗制动缩短伺服电机的机械进给距离。
再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线，经阻容回路吸收。
电磁制动是通过机械装置锁住电机的轴。
三者的区别：
（1）再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用，在故障、急停、电源断电时等情况下无法制动电机。
动态制动器和电磁制动工作时不需电源。
（2）再生制动的工作是系统自动进行，而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。
（3）电磁制动一般在SV、OFF后启动，否则可能造成放大器过载，动态制动器一般在SV、OFF或主回路断电后启动，否则可能造成动态制动电阻过热。
使用范围
直流伺服电机可应用在是火花机、机械手、精确的机器等。
可同时配置2500P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。
调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。
多级结构的力矩波动小。
伺服电机在封闭的环里面使用。
就是说它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转。
伺服电机也可用单片机控制。
优点
首先我们来看一下伺服电机和其他电机（如步进电机）相比到底有什么优点：
1、精度：
实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；
2、转速：
高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
3、适应性：
抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
4、稳定：
低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。
适用于有高速响应要求的场合；
5、及时性：
电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；
6、舒适性：
发热和噪音明显降低。
简单点说就是：
平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。
而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走，反应极快。
但步进电机存在失步现象。
伺服电机的应用领域就太多了。
只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。
如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。
运动控制MotionControl,Servomechanism
运动控制MotionControl,Servomechanism
运动控制起源于早期的伺服控制。
简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。
早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。
早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。
这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。
这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。
这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。
运动控制的定义
运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。
运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。
运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。
一个运动控制系统的基本架构组成包括：
一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。
许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。
一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。
更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。
一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。
一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。
众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。
通常，一个运动控制系统的功能包括：
速度控制
点位控制（点到点）。
有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线，梯形速度曲线或者S型速度曲线。
电子齿轮（或电子凸轮）。
也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。
一个简单的例子是，一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。
电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。
这个曲线可以是非线性的，但必须是一个函数关系。
选择运动控制器
1.根据要开发设备的工作特点，确定伺服电机的类型。
2.确定要控制的电机轴数和电机工作模式。
3.确定位置检测、反馈模式，选择是否采用光电编码器或光栅尺。
4.确定输入输出开关量的数量。
5.根据以上内容，选择合适的运动控制器
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