伺服电机及其控制原理
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1、起动转矩大 2、运行范围较广 3、无自转现象
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
27
2.3 交流伺服电机原理
交流伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置 的位置传感器构成。
定子和采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空 间彼此相差120度。 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。
伺服电机及其控制原理
——TPM基础知识的培训素材
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
1
目录
§1 伺服系统 1.1 伺服概述 1.2 伺服系统组成 1.3 伺服系统分类
§2 伺服电机 2.1 伺服电机概述 2.2 伺服电机组成和分类 2.3 交流伺服电机原理 2.4 松下伺服电机的应用和故障分析
8
控制器
控制器是伺服控制系统里面的调节元件， 通常是计算机或PID（比例-积分-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。
9
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
9
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换成机械能， 驱动被控对象工作。
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
开环伺服系统结构简图
数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。
15
15
开环伺服控制系统
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
由于有部分传动链在系统 闭环之外，故其定位精度 比全闭环的稍差。但由于 测量角位移比测量线位移 容易，并可在传动链的任 何转动部位进行角位移的 测量和反馈，故结构比较 简单，调整、维护也比较 方便。
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
半闭环伺服系统简图
工作台的位置通过电机上的传感器或是 安装在丝杆轴端的编码器间接获得。 由于将惯性质量很大的工作台排除在闭 环之外，这种系统调试较容易、稳定性 好，具有较高的性价比，被广泛应用于 各种机电一体化设备。
步进驱动器
步进马达
注意点
有失步的可能性
原因
急速负荷变动 急速速度变动
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
19
半闭环伺服控制系统 (Semi-closed loop)
通常把检测元件安装在 电机轴端而组成的伺服 系统称为半闭环系统。 它与全闭环伺服系统的 区别在于其检测元件位 于系统传动链的中间。
10
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
10
被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。
11
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
11
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。
21
21
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
半闭环伺服控制回路
伺服 驱动器
编码器
伺服马达
闭环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
伺服驱动器
编码器
伺服马达
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
22
丝性标尺
伺服系统在实际生产设备中的 应用
绕管机：皮带线伺服控制、绕管机1#2#工位伺服电机控制 易碎管机：6#工位影像系统伺服电机控制 挤管线：绕圈机A、B组绕圈，大转盘，导线杆伺服控制 Minicap：1-4#加盖机上料皮带
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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2.2 伺服电机组成和分类
组成
电机用连接器
编码器连接器 编码器
电机外壳 （定子）
电机转轴 （转子）
法兰
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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伺服电机分类
直流伺服电动机 交流伺服电动机
在我们实际生产应用当中，使用的是交流伺服电机，其具有显著 特点：
§3 伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理
2
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
2
1.1 伺服概述
伺服(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、加速度 和力矩。
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35
松下伺服电机常见故障分析
问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？
由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。
36
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
28
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）。
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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问题2：试机时一上电，电机就振动（加/减 速）并有很大的噪声。
这种现象可能是以下原因：1、由于伺服驱动器的增益
设置过高，产生了自激震荡。这时候需要重新设置伺服 驱动器伺服参数，适当降低系统增益；2、编码器出现 故障，更换编码器。3、速度命令出现重复的杂讯，信 号线受到干扰，将电源线和信号线分开，并将信号线屏 蔽好。4、电机轴承，在无负载的情况下运转电机，确 认电机轴承附近的震动和声音。
伺服系统可分为三类
开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统
闭环伺服控制系统
14
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14
开环伺服控制系统 (open loop)
控制系统没有检测反馈 装置则称为开环伺服系 统。 常用的执行元件是步进 电机，通常以步进电机 作为执行元件的开环系 统是步进式伺服系统， 在这种系统中，如果是 大功率驱动时，用步进 电机作为执行元件。 驱动电路的主要任务是 将指令脉冲转化为驱动 执行元件所需的信号。 开环伺服系统结构简单， 但精度不是很高。
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，即其每个脉冲 电机转动的角度为360°/131072=0.0027°
34
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需要我们注意的是：
伺服电机实际使用当中，必须了解电 机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。
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问题3：松下伺服电机在很低的速度运行过 程中，时快时慢，象爬行一样，怎么办?
伺服电机出现低速爬行现象一般是由于系统增益太低 引起的，适当调整系统增益，或运行驱动器自动增益 调整功能。
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全闭环系统结构简图
全闭环伺服系统将位置检测器件直接 安装在工作台上，从而可获得工作台 实际位置的精确信息。 机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性 等非线性因素都会给伺服系统造成影响， 从而使系统的控制和调试变得异常复杂， 因此，全闭环伺服系统主要用于高精密 和大型的机电一体化设备。
12
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
12
需要注意：
在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。
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1.3 伺服系统分类
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全闭环伺服控制系统 (Full-closed loop)
全闭环伺服系统主要由 执行元件、检测元件、 比较环节、驱动电路和 被控对象五部分组成。 在闭环系统中，检测元 件将被控对象移动部件 的实际位置检测出来并 转换成电信号反馈给比 较环节。 常见的检测元件有旋转 变压器、感应同步器、 光栅、磁栅和编码器等。
步进 驱动器
步进马达
方向指令
没有反馈、只能进行一个方向的控制。 使用步进马达。
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
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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。
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2.4 松下伺服电机的应用和故 障分析
在使用松下伺服电机之前需要确认其型号
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伺服系统在实际生产中的应用
在这些应用中，都是采用闭环伺服控制系统，下面以绕管机皮 带线伺服控制系统做例子介绍闭环伺服系统
皮带运行位置反馈信号
PLC SLC500 1746-HSTP1 步进控制模块
脉冲
Panasonic 伺服驱动器
１０００脉冲 → ３６０°（１圈）
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
位置 ＝ 脉冲数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ速度 ＝ 脉冲频率
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
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伺服控制系统(servo control system)
——是所有机电一体化设备的核心，它的基 本设计要求是输出量能迅速而准确地响应 输入指令的变化，如机械手控制系统的目 标是使机械手能够按照指定的轨迹进行运 动。象这种输出量以一定准确度随时跟踪 输入量（指定目标）变化的控制系统称为 伺服控制系统，因此，伺服系统也称为随 动系统或自动跟踪系统。它是以机械量如 位移、速度、加速度、力、力矩等作为被 控量的一种自动控制系统。
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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伺服系统组成原理框
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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
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编码器
Panasonic伺 服马达
位置、速度反馈
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皮带位置光栅
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2.1 伺服电机概述
定义 伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电 动机。 在自动控制系统中，伺服电动机是一个执 行元件，它的作用是把信号（控制电压或 相位）变换成机械位移，也就是把接收到 的电信号变为电机的一定转速或角位移。
4
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4
输入量 控制操作
输出量
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输入量
反馈环
控制操作
测量
5
输出量
5
1.2 伺服系统组成
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。
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型号说明
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伺服电机型号为MSME5AZS1S： 该电机低惯量，输出功率50W，额 定输入电压AC30V，绝对式编码 器，17位脉冲，7线制导线
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2.3 交流伺服电机原理
交流伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置 的位置传感器构成。
定子和采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空 间彼此相差120度。 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。
伺服电机及其控制原理
——TPM基础知识的培训素材
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目录
§1 伺服系统 1.1 伺服概述 1.2 伺服系统组成 1.3 伺服系统分类
§2 伺服电机 2.1 伺服电机概述 2.2 伺服电机组成和分类 2.3 交流伺服电机原理 2.4 松下伺服电机的应用和故障分析
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控制器
控制器是伺服控制系统里面的调节元件， 通常是计算机或PID（比例-积分-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。
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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换成机械能， 驱动被控对象工作。
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开环伺服系统结构简图
数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功 率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误 差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可 达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。
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开环伺服控制系统
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
由于有部分传动链在系统 闭环之外，故其定位精度 比全闭环的稍差。但由于 测量角位移比测量线位移 容易，并可在传动链的任 何转动部位进行角位移的 测量和反馈，故结构比较 简单，调整、维护也比较 方便。
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
半闭环伺服系统简图
工作台的位置通过电机上的传感器或是 安装在丝杆轴端的编码器间接获得。 由于将惯性质量很大的工作台排除在闭 环之外，这种系统调试较容易、稳定性 好，具有较高的性价比，被广泛应用于 各种机电一体化设备。
步进驱动器
步进马达
注意点
有失步的可能性
原因
急速负荷变动 急速速度变动
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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半闭环伺服控制系统 (Semi-closed loop)
通常把检测元件安装在 电机轴端而组成的伺服 系统称为半闭环系统。 它与全闭环伺服系统的 区别在于其检测元件位 于系统传动链的中间。
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被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。
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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。
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位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
半闭环伺服控制回路
伺服 驱动器
编码器
伺服马达
闭环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
伺服驱动器
编码器
伺服马达
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丝性标尺
伺服系统在实际生产设备中的 应用
绕管机：皮带线伺服控制、绕管机1#2#工位伺服电机控制 易碎管机：6#工位影像系统伺服电机控制 挤管线：绕圈机A、B组绕圈，大转盘，导线杆伺服控制 Minicap：1-4#加盖机上料皮带
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2.2 伺服电机组成和分类
组成
电机用连接器
编码器连接器 编码器
电机外壳 （定子）
电机转轴 （转子）
法兰
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伺服电机分类
直流伺服电动机 交流伺服电动机
在我们实际生产应用当中，使用的是交流伺服电机，其具有显著 特点：
§3 伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理
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1.1 伺服概述
伺服(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、加速度 和力矩。
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松下伺服电机常见故障分析
问题1：对伺服电机进行机械安装时，应该 注意什么问题？
由于每台伺服电机都带有编码器，它是一个十分容易碎 的精密光学器件，过大的冲击力会使其破坏。因而在安 装的过程中要避免对编码器使用过大的冲击力。
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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）。
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问题2：试机时一上电，电机就振动（加/减 速）并有很大的噪声。
这种现象可能是以下原因：1、由于伺服驱动器的增益
设置过高，产生了自激震荡。这时候需要重新设置伺服 驱动器伺服参数，适当降低系统增益；2、编码器出现 故障，更换编码器。3、速度命令出现重复的杂讯，信 号线受到干扰，将电源线和信号线分开，并将信号线屏 蔽好。4、电机轴承，在无负载的情况下运转电机，确 认电机轴承附近的震动和声音。
伺服系统可分为三类
开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统
闭环伺服控制系统
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开环伺服控制系统 (open loop)
控制系统没有检测反馈 装置则称为开环伺服系 统。 常用的执行元件是步进 电机，通常以步进电机 作为执行元件的开环系 统是步进式伺服系统， 在这种系统中，如果是 大功率驱动时，用步进 电机作为执行元件。 驱动电路的主要任务是 将指令脉冲转化为驱动 执行元件所需的信号。 开环伺服系统结构简单， 但精度不是很高。
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，即其每个脉冲 电机转动的角度为360°/131072=0.0027°
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需要我们注意的是：
伺服电机实际使用当中，必须了解电 机的型号规格，确认好电机编码器的分 辨率，才能选择合适的伺服控制器。
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问题3：松下伺服电机在很低的速度运行过 程中，时快时慢，象爬行一样，怎么办?
伺服电机出现低速爬行现象一般是由于系统增益太低 引起的，适当调整系统增益，或运行驱动器自动增益 调整功能。
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全闭环系统结构简图
全闭环伺服系统将位置检测器件直接 安装在工作台上，从而可获得工作台 实际位置的精确信息。 机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性 等非线性因素都会给伺服系统造成影响， 从而使系统的控制和调试变得异常复杂， 因此，全闭环伺服系统主要用于高精密 和大型的机电一体化设备。
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需要注意：
在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。
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1.3 伺服系统分类
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全闭环伺服控制系统 (Full-closed loop)
全闭环伺服系统主要由 执行元件、检测元件、 比较环节、驱动电路和 被控对象五部分组成。 在闭环系统中，检测元 件将被控对象移动部件 的实际位置检测出来并 转换成电信号反馈给比 较环节。 常见的检测元件有旋转 变压器、感应同步器、 光栅、磁栅和编码器等。
步进 驱动器
步进马达
方向指令
没有反馈、只能进行一个方向的控制。 使用步进马达。
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
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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。
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2.4 松下伺服电机的应用和故 障分析
在使用松下伺服电机之前需要确认其型号
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伺服系统在实际生产中的应用
在这些应用中，都是采用闭环伺服控制系统，下面以绕管机皮 带线伺服控制系统做例子介绍闭环伺服系统
皮带运行位置反馈信号
PLC SLC500 1746-HSTP1 步进控制模块
脉冲
Panasonic 伺服驱动器
１０００脉冲 → ３６０°（１圈）
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
位置 ＝ 脉冲数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ速度 ＝ 脉冲频率
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
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伺服控制系统(servo control system)
——是所有机电一体化设备的核心，它的基 本设计要求是输出量能迅速而准确地响应 输入指令的变化，如机械手控制系统的目 标是使机械手能够按照指定的轨迹进行运 动。象这种输出量以一定准确度随时跟踪 输入量（指定目标）变化的控制系统称为 伺服控制系统，因此，伺服系统也称为随 动系统或自动跟踪系统。它是以机械量如 位移、速度、加速度、力、力矩等作为被 控量的一种自动控制系统。
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伺服系统组成原理框
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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
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编码器
Panasonic伺 服马达
位置、速度反馈
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皮带位置光栅
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2.1 伺服电机概述
定义 伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电 动机。 在自动控制系统中，伺服电动机是一个执 行元件，它的作用是把信号（控制电压或 相位）变换成机械位移，也就是把接收到 的电信号变为电机的一定转速或角位移。
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输入量 控制操作
输出量
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输入量
反馈环
控制操作
测量
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输出量
5
1.2 伺服系统组成
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。
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型号说明
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伺服电机型号为MSME5AZS1S： 该电机低惯量，输出功率50W，额 定输入电压AC30V，绝对式编码 器，17位脉冲，7线制导线