伺服系统基础知识资料

交流永磁同步伺服驱动系统
一、伺服系统简介
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。

伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。

交流永磁同步伺服驱动系统（以下简称伺服系统），是基于国外高端伺服技术开发出适合于国内环境的伺服驱动系统，具有性能优异、可靠性强，广泛应用于数控机床、织袜机械、纺织机械、绣花机、雕刻机械等领域，在这些要求高精度高动态性能以及小体积的场合，应用交流永磁同步电机（PMSM）的伺服系统具有明显的优势。

其中，PMSM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。

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。

伺服系统调速范围一般的在1:5000～1:10000；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，目前国内主流产品的频率在200～500Hz。

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。

二、伺服系统的组成
伺服系统的组成
1.上位机
上位机通过控制端口发送指令（模拟指令或脉冲指令）给驱动器。

驱动器跟随外部指令来执行，同时驱动器反馈信号给上位机。

2.驱动器
伺服驱动器是用来控制伺服电机的,是伺服电机的控制部分。

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块：驱动模块和控制模块两部分。

驱动模块是强电部分，用于电机的驱动，同时也为控制模块提供直流电源；控制模块是弱电部分，是电机的控制核心，也是伺服驱动器的技术核心（控制算法）的远行载体。

其功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。

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。

如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。

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。

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。

以下分别介绍下这三种控制方式：
1、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、纺织机械、印刷机械等等。

2、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。

3、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。

3.永磁同步电机
PMSM作为执行元件，把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

其工作原理为: 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相比较，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）。

所谓交流同步电机，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”。

其同步转速年n=60f/2p，其中2p为极对数。

额定转速以下输出恒转矩，额定转速以上输出恒功率。

三、伺服驱动器的工作原理
噪声滤波器
SM
DC/DC 变 换
R S T L1
L2U V W
PE PE PE
DL1DL2N P
RB2RB4RB1电压检测继电器驱动再生电阻门驱动电流检测继电器驱动
过流 过热保 护接 口D/A PWM 产生
传感器处理指令处理
串行端口转距控制位置控制通用 I/O 速度控制差分驱动A/D
差 分
接 收接 口接 口ASIC CPU RY1DC12~24V GND
±5V ~±12V CHARGE RY1INPUT 3相AC220 TO 230V
50-60Hz（当三相电源输入时）
伺服驱动器
MC M1-M2模拟监视输出PC PC安装软件系统错误
紧急停止
启动准备
启动准备Setup 状态显示
监视
测试操作与调整
参数编辑
报警显示
运行波形显示DC电抗器
伺服电机
通用I/O 脉冲指令输入速度指令输入转矩指令输入报警输出，编码器输出外部电流限制，电源输入监视输出编码器时序输入/输出CN1
外部编码器
霍尔传感器外接再生电阻
状态显示监视
测试操作与调整参数编辑，报警显示抱闸CN2电源散热器内置数位操作器
伺服驱动器的原理结构框图
四、 伺服与其他产品的比较
1.伺服与变频器的比较
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。

变频最早只是用来调速，无论同步还是异步电机都可以用，并不用来完成精确定位跟踪的工作，但近年来，高端变频器技术在不断发展，配合机电时间常数小的电机也能完成伺服的精确定位跟踪的功能，特别是在大功率场合（异步伺服有价格优势）。

伺服本身的功能就是精确快速定位跟踪，变频器做到这种程度那就是伺服。

伺服与变频的一个重要区别是:：变频可以无编码器,伺服则必须有编码器，作电子换向用。

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类晶体管（IGBT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：
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。

四、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！
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。

综上所述，伺服是一个闭环控制系统，而变频器通常工作于开环控制，所以无论从速度还是精度上，变频器都无法和伺服相比；不过,高端闭环矢量变频器精度也能满足很多应用场合.大功率情况，例如100KW的电机，用伺服就太贵了。

用变频器上的编码器信号反馈到上端的运动控制器，也可实现(位置)闭环控制.尽管动态性能变频器比不上伺服，但稳态精度也不差.和伺服一样，取决于连接系统的机械特性和编码器分辨率.。

2.伺服系统与步进系统的比较
步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范围
速度范围低（一般在2000rpm以下，大力矩电
机小于1000rpm）
高（可达5000rpm）
控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/速度/
转矩方式
平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则
可明显改善）
好，运行平滑
精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看编码器的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬
过载特性过载时会失步可3倍过载（瞬时）
反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，闭环方式，编码器反馈
防止失步
编码器类型无光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型
响应速度一般快
耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）
温升运行温度高一般
维护性基本可以免维护较好
价格低稍高
步进电机是一种离散运动的装置，它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3.6°、1.8°，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步距角更小。

如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三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。

以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500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°/10000=0.036°。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89″。

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。

以松下交流伺服系统为例，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，以松下MSMA 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。

3．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。

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，带编码器反馈闭环控制，能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，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，在这样的现场应用，多采用交流异步伺服电机，往往采用变频器驱动。

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交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机）。

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=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。