交流伺服电机及驱动系统地发展与应用
伺服驱动技术
第三章伺服驱动技术第一节伺服驱动的概述伺服驱动技术是机电一体化的一种关键技术，在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。
随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。
近几年，国内的工业自动化领域呈现出飞速发展的态势，国外的先进技术迅速得到引入和普及化地推广，其中作为驱动方面的重要代表产品已被广大用户所接受，在机器革新中起到了至关重要的作用。
精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美地实现机器的高效自动化，这两方面也成为伺服发展的重要指标。
伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。
磁性材料中，特别是永磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。
半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。
在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。
现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。
通过这些功能算法的应用，使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。
一、伺服驱动的概念“伺服”一词源于希腊语“奴隶”，英语“Servo”。
在伺服驱动方面，我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根据信号的大小、方向，即在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。
由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够以一定的准确度跟随输入信号量(或给定值)的任意变化的自动控制系统，用来自动、连续、精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统或自动跟踪系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
交流伺服电机实验报告
一、实验目的1. 了解交流伺服电机的结构、工作原理和特点。
2. 掌握交流伺服电机的驱动方法及控制策略。
3. 通过实验验证交流伺服电机的性能，为实际应用提供参考。
二、实验内容1. 交流伺服电机的结构分析2. 交流伺服电机的工作原理3. 交流伺服电机的驱动方法4. 交流伺服电机的控制策略5. 交流伺服电机的性能测试三、实验设备及仪器1. 交流伺服电机实验台2. 交流伺服电机驱动器3. 交流伺服电机控制器4. 功率分析仪5. 数据采集卡6. 计算机四、实验步骤1. 交流伺服电机的结构分析（1）观察交流伺服电机的结构，了解其主要组成部分，如定子、转子、端盖、轴承等。
（2）分析各部分的功能及相互关系。
2. 交流伺服电机的工作原理（1）观察交流伺服电机的工作过程，了解其电磁感应原理。
（2）分析交流伺服电机的启动、运行和停止过程。
3. 交流伺服电机的驱动方法（1）学习交流伺服电机的驱动电路，了解其工作原理。
（2）分析驱动电路中的主要元件及其作用。
4. 交流伺服电机的控制策略（1）学习交流伺服电机的控制方法，了解其闭环控制原理。
（2）分析控制策略中的主要参数及其调整方法。
5. 交流伺服电机的性能测试（1）连接实验设备，进行实验前的准备工作。
（2）启动交流伺服电机，观察其运行状态，记录相关数据。
（3）分析实验数据，验证交流伺服电机的性能。
五、实验结果与分析1. 交流伺服电机的结构分析通过观察实验台上的交流伺服电机，我们可以看到其主要由定子、转子、端盖、轴承等部分组成。
定子由线圈绕制而成，转子由永磁体构成。
当交流电源通过定子线圈时，产生旋转磁场，驱动转子旋转。
2. 交流伺服电机的工作原理实验过程中，我们发现交流伺服电机在启动、运行和停止过程中，其转速、转矩和功率等参数均与输入的交流电源频率、电压和相位角有关。
通过调整这些参数，可以实现交流伺服电机的精确控制。
3. 交流伺服电机的驱动方法实验中，我们学习了交流伺服电机的驱动电路，了解到其主要由逆变器、滤波器、电机和控制器等部分组成。
伺服电机的工作原理与应用
伺服电机的工作原理与应用伺服电机是一种广泛应用于工业领域的电动机，其具有精密控制、高性能和稳定性强等特点。
本文将介绍伺服电机的工作原理以及常见的应用领域。
一、伺服电机的工作原理伺服电机通过电压信号的反馈控制来实现精确的位置、速度和力矩控制。
其工作原理主要分为以下几个方面：1. 反馈系统：伺服电机内置有编码器或传感器，用于给控制系统提供准确的反馈信息，以便实时监测和调整电机的位置、速度和力矩。
2. 控制系统：伺服电机的控制系统由控制器和执行器组成。
控制器接收反馈信号，并与预设的控制信号进行比较，生成误差信号。
根据误差信号，控制器产生适当的控制信号，通过执行器驱动电机实现位置、速度和力矩的精确控制。
3. 闭环控制：伺服电机采用闭环控制系统，通过不断地与反馈信号进行比较和调整，以保持电机输出的精确性。
闭环控制系统可以自动纠正误差，并提供稳定的转速和转矩输出。
二、伺服电机的应用领域伺服电机在各个领域有着广泛的应用，以下介绍几个常见的应用领域：1. 机床：伺服电机广泛应用于机床行业，如数控机床、车床和磨床等。
通过伺服电机的精确控制，机床可以实现高速、高精度的切削和加工，提高生产效率和产品质量。
2. 自动化系统：伺服电机在自动化系统中起着重要作用，如生产线上的机械臂、输送设备和装配机器等。
通过精确的位置和速度控制，伺服电机可以实现高效的自动化操作。
3. 3D打印：伺服电机在3D打印领域也有广泛应用。
通过伺服电机的精确控制，3D打印机可以准确地定位、定速和控制材料的进给，实现复杂结构的三维打印。
4. 机器人：伺服电机是机器人关节驱动的核心部件之一。
通过伺服电机的精确控制，机器人可以实现复杂的运动和灵活的操作，广泛应用于工业制造、医疗服务和家庭助理等领域。
5. 汽车工业：伺服电机在汽车工业中的应用也越来越广泛。
例如，伺服电机可以控制汽车的制动系统、转向系统和油门系统，提供更高的安全性和性能。
总结起来，伺服电机凭借其精确的控制和高性能，在工业领域中发挥着重要作用。
伺服技术的应用前景和解决方案
伺服技术的应用前景和解决方案伺服技术是一种用于控制和驱动运动提供精确位置和速度控制的技术。
它在许多行业中有着广泛的应用，并具有巨大的发展前景。
本文将讨论伺服技术的应用前景以及解决方案。
一、伺服技术的应用前景1. 工业自动化领域伺服技术在工业自动化领域中有着重要的应用前景。
伺服驱动器和伺服电机的高精度定位和运动控制特性，使得它们能够广泛应用于自动化设备，如机床、印刷设备、包装机械等。
随着工业自动化需求的增加，伺服技术的应用前景也在逐渐扩大。
2. 机器人领域伺服技术对于机器人领域的应用也具有巨大的前景。
伺服驱动器和伺服电机的高速、高精度运动控制能力，可以实现机器人的灵活、精确的动作，提高机器人的工作效率和精度。
此外，伺服技术还可以结合传感器和视觉系统，实现机器人的感知和智能化，进一步拓展机器人应用领域。
3. 新能源领域随着新能源行业的快速发展，伺服技术在新能源设备中的应用前景十分广阔。
例如，风力发电机组中的角度调节系统、太阳能光伏跟踪器中的方位调节系统等，都需要伺服技术来实现精确的位置和角度控制，提高能源设备的效率和可靠性。
二、伺服技术的解决方案1. 选型和集成在应用伺服技术时，选型和集成是关键。
首先，需要根据具体的应用需求选择合适的伺服驱动器和伺服电机；其次，需要与其他设备和系统进行集成，实现整体的自动化控制。
选型和集成的成功与否直接影响到伺服系统的性能和稳定性。
2. 精确控制算法伺服技术的精确控制算法是实现高精度运动控制的重要因素。
通过优化控制算法，可以提高伺服系统对于位置和速度的控制精度，降低能耗，提高系统的稳定性和响应速度。
3. 传感器和反馈系统伺服系统的准确反馈是实现精确控制的基础。
传感器和反馈系统可以实时获取伺服电机的位置、速度和扭矩等参数，反馈给控制系统进行补偿控制。
选择合适的传感器和反馈系统，能够提高伺服系统的控制精度和稳定性。
4. 故障检测和维护为了确保伺服系统的长期稳定运行，需要进行故障检测和维护。
交流伺服电机
交流伺服电机交流伺服电机是一种广泛应用于工业自动化领域的电机类型，在现代生产中发挥着重要作用。
交流伺服电机通过内置的编码器反馈系统，可以实现精确的位置控制和速度控制，从而提高了生产效率和产品质量。
本文将介绍交流伺服电机的工作原理、应用领域以及优势特点。
工作原理交流伺服电机通过电子控制系统控制电流的大小和方向，从而控制电机转子的位置和速度。
其工作原理包括位置控制回路、速度控制回路和电流控制回路。
位置控制回路接收编码器反馈信号，比较目标位置和当前位置之间的差异，通过控制电流大小和方向来驱动电机转子转动至目标位置。
速度控制回路根据编码器反馈信号和设定速度值之间的差异，控制电机的转速。
电流控制回路则根据速度控制回路的输出，控制电机的电流大小和方向，以实现精确的速度控制。
应用领域交流伺服电机广泛应用于各种自动化设备和机械领域，如工业机器人、数控机床、包装设备、印刷设备等。
在这些领域，交流伺服电机可以提供精确的位置控制和速度控制，满足高效生产的需求。
同时，在医疗设备、航空航天等领域也有着重要应用，用于控制精密的运动系统。
优势特点交流伺服电机相比其他类型的电机具有以下优势特点：•高精度：交流伺服电机具有较高的控制精度，可以实现微米级的定位精度，适用于需要高精度控制的应用。
•高效率：交流伺服电机运行稳定，能够提供较高的效率，降低能源消耗，节省生产成本。
•响应速度快：交流伺服电机响应速度快，可以在短时间内实现从静止到目标速度的转变，提高生产效率。
•可编程控制：交流伺服电机可以通过程序控制实现各种运动模式和轨迹规划，满足不同应用的需求。
总体而言，交流伺服电机在工业自动化领域具有重要地位，通过其高精度、高效率和快速的特点，为生产提供了稳定可靠的动力支持。
本文简要介绍了交流伺服电机的工作原理、应用领域以及优势特点，希望能够帮助读者更好地了解交流伺服电机的基本知识。
交流伺服与变频技术及应用(第4版)01
❖ 伺服驱动器：控制伺服电机（同步电机）的专用调 速装置，可以实现位置控制。 应用较广泛，生产较多， 国产数控机床使用较多。
☺变频器、交流主轴驱动器、伺服驱动器广义上都
是变频调速装置。
❖了解三者的大致区别
➢ 相同点 ✓ 调速原理相同，都通过变频实现调速； ✓ 主回路相同，都采用PWM逆变电路。
❖ 交流电机的调速方案
☞ 改变频率的调速称为变频调速；改变磁极对数的调
速称为变极调速；改变转差的调速称为变转差调速。
❖ 交流调速方案与比较
变极调速：通过改变电机绕组的连接实现，只需要 继电——接触器电路控制，控制最简单。但因P必 须为正整数，只能成倍改变转速（有级调速）。
变转差调速：本质改变电机的输出特性，可通过改 变电枢电压、定子电阻、转子电阻等方式实现无级 调速，但控制装置的体积大、硬件成本高。
➢ 区别
✓ 控制对象不同 交流伺服：专用同步电机；一般15kW以下，特殊
72kW（SIEMENS 1FT6）； 交流主轴：专用感应电机；一般100kW以下，特殊
310kW （SIEMENS 1PH8） 变频器：通用感应电机；最大到6600kW。
✓ 用途不同、性能区别很大（将在后期课中介绍）。
5. 常用伺服驱动品牌
❖ 启动频率：是变频器能输出启动转矩的最小频率。 启动频率 = 计算实际调速范围的最小频率（转速）
交流伺服与变频技术
（第4版·2022）
逻辑控制
为什么要学本课程？
机械部件
强电PLC
液压气动
运动控制
机电一体化设备
伺服
变频
操作编程
浅析伺服系统在数控机床中的应用及发展
智能化
伺 服 器 控 制 模 式 的 智 能 化 ， 在 内 部 预 先 编 程 如
实 现 某 种 运 动 轨 迹 ， 制 本 站 点 周 边 的 １ 口， 带 主 从 跟 随 控 ０ 内 模式调整 ， 电子 凸轮 等 。
问题 ， 如电刷和换 向器 易磨 损 ， 护工作 量 大 ， 维 成本 高等 。② 交流伺服 系统。其进 给运动系统采用 交流感应 异步伺 服 电机 和永磁 同步伺 服电机 。交流伺服系 统的优点 除 了具 有稳定性 好 、 速性 好 、 度高 的特点 外 ， 快 精 与直 流伺 服 电机系 统相 比有
如下 ：
１３ １ 按用途和功能分类 ．．
１进 给驱动系 统 ： ） 用于数 控机 床工 作 台坐标 或 刀架坐 标 的控制系统 ， 控制机床各坐标轴 的切削进给运 动 ， 并提供 切削
过 程 所 需 的力 矩 。
１２ １ 可 逆 运 行 ．．
可逆运行要求 能灵 活地 正反 向运行 。在加工 过程 中， 机
控制编码或其他符 号指令规 定的程序 ， 并将其译码 ， 再进行 必要 的信 息处理和运算后控 制机床 动作 并加 工零件。伺服 系统 的 系统直接 关 系到数控机床执行件 的静 态和动 态特性 、 工作精度、 负荷 能力和稳 定程度等 。因此， 究与开发 高性 研
能 的伺 服 系统 一 直 是现 代 数 控 机 床 的 关键 技 术之 一 。 关键 词 ： 服 系统 ； 控 机 床 ； 用 ； 展 伺 数 应 发 ｄｉ１ ．９９ｊｉｎ １０ —８５ ． １ ．８ ０２ ｏ：０ ３６／． ｓ．０ ６ ５４２ ２０ ．０ ｓ ０
１３２ 按控制原理分类 ．． １开环伺 服系统 ： ） 系统 中没有 位置测 量装置 ， 号流是 单 信 向的（ 数控装置一 进给系统） 故系统稳定性好。 ， ２ 半开环伺服 系统 ： ） 系统 的位 置采样 点是 从伺 服 电机 或 丝杠 的端部 引出 ， 采样旋转角度进行检 测 ， 不是直接 检测最 终
中国伺服系统前景分析
中国伺服系统前景分析一、伺服行业产业链“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。
人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。
在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。
由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。
1.工作原理伺服控制是对机器装备的精确定位、速度等运动要素进行控制的统称。
伺服控制系统主要由控制器和伺服传动单元组成，通过机械零部件传导到负载端。
伺服系统（或称伺服产品）通常包括伺服驱动器（指令装臵）、伺服电机、伺服反馈装臵（编码器）三个部分。
2.下游应用伺服系统主要应用于对定位精度和运转速度控制要求较高的制造领域，在精密制造和柔性制造中有着不可替代的作用，目前已广泛应用于机床、包装、纺织电子、塑料、医疗、印刷、橡胶、食品等行业，并逐步在风电、新能源汽车等新兴行业得到推广，应用领域的不断拓展将进一步推动伺服系统市场的增长。
2020年伺服系统下游应用占比最高的电子及半导体、机床和工业机器人，总和占比为37%左右，其中占比最高的为电子及半导体行业，占比16%。
就增速情况而言，电子及半导体行业也远远高于下游其他行业，2020年市场规模增长率为36%左右，远超全行业平均增速18%。
2020年中国私服系统主要下游应用需求变动情况二、伺服系统市场容量随着社会的不断发展和进步，伺服系统在工业发展中的作用愈加明显。
高速加工技术和以高速、高精度为基础的其他技术的发展，推动了伺服系统的快速发展。
我国伺服系统市场规模自2015年起整体表现为增长趋势，2020年中国伺服电机系统市场规模为164.4亿元，同比2019年增长18.3%。
三、伺服系统竞争格局我国国产伺服系统企业发展迅速，发展国产替代率逐年升高。
过去中国大陆伺服系统主要来源于日本等地的大量进口，占比最高的是松下、安川等。
经过十来年的发展，2020年的现在，国内从事伺服系统的供应商超过300家，国产品牌近12年持续采取定制化与低价策略馋食外资品牌份额，2020年中国伺服系统市场份额占比最高仍然主要是日本等外资企业，但是国产企业占比大幅度增高，其中代表汇川2020年市场占比10%。
各种电机的特点及典型应用
各种电机的特点及典型应用电机是将电能转化为机械能的设备，广泛应用于工业、交通、农业等领域。
根据不同的工作原理和应用领域，电机可以分为直流电机、交流电机、步进电机和伺服电机等多种类型。
下面将详细介绍各种电机的特点及典型应用。
1. 直流电机（DC Motor）直流电机是利用直流电源供电，通过电流与磁场之间力的相互作用实现电力转换的电机。
其主要特点如下：-转速可调：转速与电压、电流成正比，通过调节电压或电流可以实现转速调节。
-启动和制动能力强：由于直流电机具有较高的起动扭矩，因此适用于大部分需要启动、制动频繁的场合。
-反向性好：通过改变电流的方向可以实现正转与反转。
-稳定性好：适用于对转速稳定性要求较高的场合。
典型应用：-电动汽车：直流电机因其较高的起动扭矩和调速灵活性，逐渐成为电动汽车的首选驱动电机。
-家电产品：如洗衣机、吸尘器、混合机等，直流电机在家电领域中应用广泛。
-动力传输：直流电机常被用于带动传送带、曳引机构等实现物料的输送和搬运。
2. 交流电机（AC Motor）交流电机是利用交流电源供电，通过电流与磁场之间的相互作用实现电力转换的电机。
其主要特点如下：-结构简单：交流电机结构简单，容量大，体积小。
-转速稳定：在额定电压、频率下运行，转速相对稳定。
-使用方便：交流电源广泛，适用于各种场合。
-成本低：与直流电机相比，交流电机制造成本更低。
典型应用：-空调、冰箱、电风扇等家电产品：交流异步电机被广泛应用于家电产品中。
-工业机械：如起重机、输送机、风机、压缩机等巨大的工业设备中，交流电机应用广泛。
-制冷与暖通设备：交流电机被应用于空调机组、冷水机组、风机盘管等机电设备中。
3. 步进电机（Stepper Motor）步进电机是一种将数字脉冲信号转换为角度或者线性位移的电动机。
其主要特点如下：-高精度：步进电机可以非常准确地控制转轴的位置。
-易于控制：步进电机只需提供驱动信号，无需反馈机制，控制比较简单。
永磁交流伺服系统研究背景意义及现状
永磁交流伺服系统研究背景意义及现状1研究背景及意义伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统，是控制理论、电力电子技术、电机技术、微电子技术、检测技术等学科相互发展融合的产物，是自动化学科及工业生产领域重要的分支。
在机械制造行业、冶金工业，交通运输以及军事上都得到了广泛的应用。
伺服系统强调对控制命令的快速跟踪和响应，所以伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。
在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效的实现功率变换。
而伺服系统则强调忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。
伺服系统的发展经历了由液压伺服到电气伺服的过程。
在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，通常分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。
六十年代以后，特别是七十年代以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，己具备良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成定局。
其中交流永磁同步电机 (PMSM)又以其结构简单、气隙磁密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为研究的热点。
和直流电机相比，交流永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点，和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。
现已广泛用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。
另一方面，高速数字信号处理芯片(DSP) 的快速发展也对伺服系统的发展起到了推动作用。
伺服电机的原理及应用有哪些
伺服电机的原理及应用有哪些伺服电动机又称执行电动机，在自动掌控系统中，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，其重要特点是：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的加添而匀速下降。
一、伺服电机是一个典型闭环反馈系统减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给掌控线路板，掌控线路板将其与输入的掌控脉冲信号比较，产生矫正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令矫正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机定位的目的。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器掌控的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，驱动器依据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决议于编码器的精度（辨别率）。
1、直流伺服电机：输入或输出为直流电能的旋转电机。
它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调整器，分别调整转速和电流。
2个反馈闭环在结构上采纳一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗力强等优点，因而得到广泛地应用。
直流伺服电机可应用在火花机，机器手，的机器等，同时可加配减速箱，令机器设备带来牢靠的精准性及高扭力。
2、交流伺服电机：输入或输出为交流电能的旋转电机。
交流伺服电机分为同步和异步电机。
同步电机的重要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。
作为发电机运行是同步电机zui重要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种紧要的运行方式。
同步电动机的功率因数可以调整，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。
异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。
异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能充足大多数工农业生产机械的传动要求。
步进电机、伺服与伺服电机
伺服电机伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可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。
伺服电机1、伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
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。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
2、无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。
控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。
电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。
大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。
因而适合做低速平稳运行的应用。
伺服系统在工业机器人的应用
伺服系统在工业机器人的应用工业机器人有4大组成部分，分别为本体、伺服、减速器和控制器。
而其中，工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。
一般情况下，对于交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。
伺服系统(servomechanism)又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。
狭义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
伺服系统组成原理框图1、比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器控制器通常是计算机或PID(比例、积分和微分)控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3、执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4、被控对象被控对象指被控制的物件，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。
5、检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
数控机床伺服系统的分类及其应用要求
数控机床伺服系统的分类及其应用要求数控机床伺服系统又称为位置随动系统,简称为伺服系统。
数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构，在许多自动化控制领域广泛应用。
数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色，这对其应用带来很大的困扰，本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。
一、数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统;按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。
主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。
由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。
闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统;若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。
现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。
开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。
直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动
目录直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动 (1)1.直流(DC)伺服电机及其驱动 (1)（1）直流伺服电机的特性及选用 (1)（2）直流伺服电机与驱动 (2)（3）PWM直流调速驱动系统原理 (3)2.交流(AC)伺服电机及其驱动 (4)直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动1.直流(DC)伺服电机及其驱动（1）直流伺服电机的特性及选用直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。
其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。
但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。
20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。
直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机，电枢由导电板的切口成形，导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。
宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。
永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。
有不带制动器a和带制动器b两种结构。
电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。
同时，在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机，并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获得优良的低速刚度和动态性能。
日本发那科(FANUC)公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC)的L系列(低惯量系列)、M系列(中惯量系列)和H系列(大惯量系列直流伺服电机）。
基于单片机的交流伺服电机控制
05
系统调试与性能测试
系统调试方法与步骤
硬件调试 电源检查：确保电源电压稳定且符合要求。
连接线路检查：确保线路连接正确，无短路或断路现象。
系统调试方法与步骤
• 元器件检查：检查电阻、电容等元器件是否正常工作。
系统调试方法与步骤
软件调试
程序语法检查：确保程序语法 正确，无编译错误。
逻辑错误检查：通过模拟输入 信号，检查程序逻辑是否正确 。
总结词
交流伺服电机驱动器是实现电机控制的关键环节，其设计将直接影响电机的性能和稳定性。
详细描述
在驱动器设计中，需要根据电机的规格参数和性能要求，选择合适的驱动电路和功率器件，并考虑驱动器的抗干 扰性能和保护措施。此外，还需要对驱动器的控制信号进行合理设计，以确保电机能够准确、快速地响应控制信 号。
控制算法设计
总结词
控制算法是实现电机精确控制的关键技术，其设计将直接影响电机的运动特性和控制精度。
详细描述
在控制算法设计中，需要根据电机的运动特性和性能要求，选择合适的控制算法，如PID控制、模糊 控制、神经网络控制等。同时，还需要对控制算法的参数进行合理调整和优化，以提高电机的控制精 度和响应速度。
03
硬件电路设计与实现
基于单片机的交流 伺服电机控制
2023-11-10
目录
• 交流伺服电机控制概述 • 基于单片机的交流伺服电机控制
方案设计 • 硬件电路设计与实现 • 软件程序设计与实现 • 系统调试与性能测试 • 基于单片机的交流伺服电机控制
展望与优化建议
01
交流伺服电机控制概述
交流伺服电机的基本原理
交流伺服电机是一种基于电磁 感应原理的电动机，主要由定 子和转子组成。
控制电机的发展趋势和应用
控制电机的发展趋势和应用控制电机的发展趋势和应用山东大学李光友************.cn2014年8月6日一、控制电机的发展历程控制电机有60~70年的发展史，第二次世界大战后军事电子装备的迅速发展促进了美国、苏联等国家控制电机的开发和生产；上世纪60年代末70年代初，民用电子产品的迅速发展促进了日本等国的控制电机行业的大发展；上世纪80年代以来，随着电子技术的广泛应用，控制电机向组件化方向发展，引起控制电机行业的结构变化。
如今，控制电机已广泛应用于从家庭到宇航业等众多领域，2010年全球产量约100亿台。
二、我国控制电机的生产现状我国(包括香港；台湾地区)2010年控制电机总生产量约60亿台，占世界总产量约60％左右。
但我国不是生产和技术强国，国企和民企生产的产品档次不高，属中、低档产品。
独资企业的产品属中档产品，真正技术含量较高的产品，如光盘驱动器用的精密无刷主轴电动机、高精度步进电机、片状电机、高精密高性能伺服电机以及新结构、新原理电机等都没有转移到我国大陆内的独资企业生产。
控制电机出口额2000~2009年均增长率为6.52%，2009年出口总额为26.23亿美元。
控制电机进口额2000~2009年均增长率为5.87%，2009年进口总额为19.22亿美元。
三、控制电机发展趋势控制电机的发展,在产品向高性能、高可靠性、高精度、无刷化、永磁化、机电一体化和数字化及固态化方向发展的同时,出现以下变化和发展趋势。
大控制电机如永磁同步电机、风力发电机和伺服电动机等,已出现几十kW甚至几百kW、上千kW乃至上万kW的电机;外形尺寸由原来的外径200mm 发展到360mm、500mm乃至1000mm以上。
如直径为1100mm的旋转变压器等。
微60年代微电机外径最小是12.5mm,现在已经有1mm甚至几个微米的电机。
大批量生产的手机振动电机直径是2~8mm。
特表现在原理上从单一原理到多原理电机的组合；结构上从单台电机到多台电机的组合；功能上从单一功能到多种功能的组合；性能上从单一性能到多性能的转换、转变和提升。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract简要介绍交流伺服电机及驱动系统的发展与应用。
目前对同步伺服电动机的控制方法多采用自适应控制和磁场定向矢量控制。
随着应用场合与控制对象的不同采用不同的控制策略。
DSP控制技术的应用使现代控制理论中先进的、复杂的算法得以实现。
现今，随着电机、功率器件、传感器、微电子器件及控制理论控制算法的不断发展，经历了几代的应用结合，伺服驱动装置正朝着交流化、数字化、大功率方向关键词:交流伺服电机;驱动系统;特点;发展;应用引言近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。
工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多种优点，可以高效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物流仓储设备的重要组成部分。
伺服驱动控制系统是80年代国际上崛起的高性能产品，具有良好的控制性能和较高的动态品质，并以调速范围广、稳速精度高、动态响应性能好、使用简便等优越性能，迅速成为伺服系统发展的必然趋势.因此研究具有必要性. 前言伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。
在20世纪最后10年间，微处理器（特别是数字信号处理器——DSP）技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。
如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的话，那么，20世纪90年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的10年。
这一点在一些工业发达国家尤为明显。
1交流伺服电机及驱动系统概述1.1伺服驱动系统的概述伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节。
CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。
伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。
伺服驱动系统的作用归纳如下：1.1.1伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；1.1.2伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。
1.2交流伺服电机及驱动系统的特点1.2.1交流伺服电机特点a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；b、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；c、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；d、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；f、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；e、舒适性：发热和噪音明显降低。
简单点说就是：我们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。
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：A、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线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。
B、运行范围较广C、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。
1.2.3驱动系统分类数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
a.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。
主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
b.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如下图所示。
由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。
闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。
现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。
开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
c.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。
直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。
但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。
进入80年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。
交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。
同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理。
1.3交流伺服电机的分类伺服电机是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。
大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。
因而适合做低速平稳交流运行的应用。
1.4交流伺服电机及驱动系统在数控机床中的地位交流伺服电机是动力源和进给保证驱动系统是机床的大脑指挥机床各部件的移动是加工出合格产品的前提.2交流伺服电机及驱动系统的应用2.1交流伺服电机及驱动系统的应用交流伺服电机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2.2伺服系统的发展趋势作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。
围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。
可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。
（1）交流化伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。
从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。
在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80％。
国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正逐步超过生产DC伺服电机的厂家。
可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。
（2）全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。
全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。
（3）采用新型电力电子半导体器件目前，伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。
这些先进器件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。
尤其是，最新型的伺服控制系统已开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Mod—ules，简称IPM）。
这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。
其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可直接接口。
它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。
（4）高度集成化新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元2个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。
同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数就可改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。
高度的集成化还显著缩小了整个控制系统的体积，使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。
（5）智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置也不例外。
最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，其智能化特点表现在：①都具有参数记忆功能。
系统的所有运行参数都可通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用方便；②都具有故障自诊断与分析功能。
无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障类型及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；③有的伺服系统还具有参数自整定的功能。
众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。
带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。
对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。
（6）模块化和网络化在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation，简称FA）工程技术在近lO年来得到了长足发展，并显示出良好的发展势头。