交流伺服电机及其调速分类和特点
长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。
分类和特点
1．异步型交流伺服电动机
异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。
这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。
2．同步型交流伺服电动机
同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁
感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。
摘要 本设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号通过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量；光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内部的计数器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量；通过软件设置电流环、速度环和位置环的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。 关键词：微型计算机，8097，HIS，8254，PID ABSTRACT This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. KEY WORDS：Microcomputer，8097，HIS，8254，PID
伺服电机是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件，很多第一次接触到这个产品的朋友肯定一头雾水，不知道它到底是什么。下面小编就给大家详细介绍一下到底伺服电机是什么东西以及它的分类。 伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。 一、交流伺服电动机 结构和原理交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。 笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。 空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子
之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。电机的工作状态越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机立即停止转动。这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别。 交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：（1）幅值控制控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。（2）相位控制控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。（3）幅值—相位控制同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
附录三MSDA043A1A 交流伺服电机驱动器简介1．外部结构和主要接线插座 MSDA043A1A 交流伺服电机驱动器外部结构如图1所示。 图1 MSDA043A1A 交流伺服电机驱动器外部结构1）CN SER/CN NET：变频器与计算机或其它控制器连接接口； 2）CN SIG：编码器连接接口； 3）CN 1/F：各种控制信号输入/输出接口。
2． CN 1/F接口常用控制信号接线端子的功能。 CN 1/F接口常用控制信号接线端子的功能如表1所示 表1 : 常用控制信号接线端子的功能 端子号符号信号名称功能 7COM+外接电压正 输入给变频器提供直流24V或12V工作电压 41COM-外接电压负 输入 29SRV-ON伺服使能输 入此端与COM-接通后，变频器允许工作 8CWL正向脉冲禁 止输入当此端与COM-断开时，正向脉冲输出信号被禁止 9CCWL反向脉冲禁 止输入当此端与COM-断开时，反向脉冲输出信号被禁止 3PULS1指令脉冲输 入1）当使用双脉冲输出方式时，PULS为正脉冲输出端，而 SIGN为负脉冲输出端；2）当使用单脉冲输出方式时，PULS为脉冲输出端，而 SIGN为方向输出端。 4PULS2 5SIGN1指令符号输 入 6SIGN2 37ALM+伺服故障输 出端当控制器出现故障时，此输出断开。 36ALM- 35S-RDY+伺服准备好当主电源接通且没有故障时，此 输出端接通。 34S-RDY- 31A-CLR故障复位当此端与COM-接通时，故障被 清除。
3．前面板 可以利用前面板作监视器、参数设定、EEPROM写入器、自动增益调整和其它辅助功能。MSDA043A1A 交流伺服电机驱动器操作面板如图2所示。 图2 操作板结构 操作面板各部分的功能如表2所示。
直流伺服电机的控制方式 直流伺服电机实质上就是他励直流电机。由直流电机的电压方 程U＝E a+I a R a及电枢电动势表达式E a＝C eΦn，可以得到直流伺服电机的转速表达式为 式中，U a为电枢电压；E a为电枢感应电动势；I a为电枢电流；R a为电枢回路总电阻；n为转速；Φ为每极主磁通；C e为电动势常数。 上式表明：改变电枢电压U a和改变励磁磁通Φ，都可以改变直流伺服电机的转速n。 因而直流伺服电机的控制方式有两种：一种方法是把控制信号作为电枢电压来控制电机的转速，这种方式称为电枢控制；另一种方法是把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通来控制电机的转速，这种控制方式称为磁场控制（又称为磁极控制）。直流 伺服电机的工作原理图如图2-9所示。
图2-9 电枢控制时直流伺服电机的工作原理图 （1）电枢控制 由图2-9所示，在励磁回路上加恒定不变的励磁电压U f，以保证直流伺服电机的主磁通Φ不变。在电枢绕组上加控制电压信号。当负载转矩T L一定时，升高电枢电压U a，电机的转速n随之升高；反之，减小电枢电压U a，电机的转速n就降低；若电枢电压U a＝0时，电机则不转。当电枢电压的极性改变后，电机的旋转方向也随之改变。因此把电枢电压U a作为控制信号，就可以实现对直流伺服电机转速n的控制，其电枢绕组称为控制绕组。 对于电磁式直流伺服电机，采用电枢控制时，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁；对于永磁式直流伺服电机则由永磁磁极励磁。 下面分析改变电枢电压U a时，电机转速n变化的物理过程。 直流伺服电机实质上就是他励直流电机。由直流电机的转速表 达式及电磁转矩表达式T e＝C TΦI a，可以得到保持电机的每极磁通为额定磁通ΦN时，直流电机的机械特性方程为 式中，U a为电枢电压；R a为电枢回路总电阻；n为转速；ΦN 为每极额定主磁通；C e为电动势常数；C T为转矩常数；T e为电 磁转矩。 根据直流电机的机械特性方程，可以绘制出直流电机降压调速时的机械特性曲线，如图2-10所示，图中，曲线1、2、3分
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 (3PWM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。其中L系列适合于频繁启动、制动场合应用,M系列是在H系列的基础上发展起来的,其惯量较H系列小,适合于晶体管脉宽调制(PWM驱动,因而提高了整个伺服系统的频率响应。而H系列是大惯量控制用电动机,它有较大的输出功率,采用六相全波
南京德拜自动化科技有限公司https://www.doczj.com/doc/3715104097.html, 防爆伺服电机的分类和特点 防爆伺服电机的分类和特点：随着我国防爆伺服电机工业的发展，石油、化工、化肥、煤炭等行业对大型防爆无刷励磁同步电动机的需求量越来越大，尤其是近年石化行业产量不断提升，大型防爆无刷励磁同步电动机功率也越来越大，接下来德拜自动化科技就带大家详细的了解一下国产防爆伺服电机的分类和特点。 1 技术特点与优势 对爆炸性气体环境区域的划分、常用的防爆形势如增安型电机、隔爆型电机、正压外壳型电机的防爆原理和优缺点进行介绍。 增安型防爆原理———采用不产生火花、电弧和危险温度的电气结构进行防爆。 隔爆型防爆原理———采用隔爆外壳和控制表面温度达到防爆目的。 正压外壳型防爆原理———采用密封壳体内保护气体压力保持高于外部环境压力，以阻止壳体内形成爆炸性气体环境进行防爆。 1． 1 增安型电机 ( 1) 只能在“2”区场所使用，并且温度组别只能达到T3 组; ( 2) 大容量的增安型电机，受电网容量的限制，电机的无火花等试验无法进行，国内增安型异步电动机较大功率为8 500kW。大型电机的TE时间很难满足
南京德拜自动化科技有限公司https://www.doczj.com/doc/3715104097.html, 标准要求，也为电机的热保护带来困难。 ( 3) 按照IEC 和新的国家标准的规定，额定电压超过1kV 的高压增安型电机需要起动前预吹扫，并且新标准明确规定，用户在使用增安型电机时负有安全责任，即起动前预吹扫由用户负责。电机每次起车时均需要大量的保护气体对电机内腔重新进行吹扫换气。每次起车时都要等待30min 左右，不能适应石化等企业装置随时切换的要求。 1． 2 隔爆型电机 隔爆型电机可以在“1”区和“2”区防爆场所使用，但存在如下不足点。 ( 1) 电机容量较大时，由于电机体积越大，隔爆外壳需要不断增强，目前国内外一般隔爆型电机可以做到H800，超过一定尺寸时爆炸压力试验无法完成，目前国内隔爆防爆伺服电机功率为7.5kW。 ( 2) 高转速、四级防爆( dIICT4)隔爆型电机由于轴贯通部分间隙很小易出现抱轴事故。在工业运行中，容易因抱轴而导致电机无法运转，影响生产，从而给用户带来损失。因此该类电机容量一般不宜超过10kW。 1． 3 正压外壳型电机 正压外壳型电机有如下优点。 ( 1) 可使用在“1”区或“2”区的危险场所。 ( 2) 不受无火花试验及TE 时间的限制。 ( 3) 不受电机容量和转速的限制，可做成大功率的防爆产品( 目前可达到25 000KW) 。 ( 4) 无论从防爆原理还是电机自身运行的可靠性均取得极大提高。 ( 5) 温度组别可达到T4 组。 ( 6) 克服了增安型电机每次起车时吹扫等待的缺点，进入保压状态后可以随时起停车。
直流电机的特性测试 一、实验要求 在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X 轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。 二、实验原理 1、直流电机的机械特性 直流电机在稳态运行下，有下列方程式： 电枢电动势 e E C n =Φ （1-1） 电磁转矩 e m T C I =Φ （1-2） 电压平衡方程 U E I R =+ （1-3） 联立求解上述方程式，可以得到以下方程： 2e e e m U R n T C C C = -ΦΦ （1-4） 式中 R ——电枢回路总电阻 Φ——励磁磁通 e C ——电动势常数 m C ——转矩常数 U ——电枢电压 e T ——电磁转矩 n ——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压U 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩e T 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。 2、直流电机的工作特性 因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程： e e U R n I C C = -ΦΦ （1-5） 由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。 3、直流电机的调速特性 直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加 电阻。 本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。当电磁转矩一定 时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。 4、直流电机的动态特性 直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩 等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示： s m dn n n T dt =- （1-6） 其中，s n ——稳态转速 m T ——机械时间常数 本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的 动态特性。 5、传感器类型 本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁 转矩使用的是扭矩传感器。
伺服电机概述 2.1.1 伺服电机的用途与分类 伺服电机（又称为执行电机）是一种应用于运动控制系统中的控制电机，它的输出参数，如位置、速度、加速度或转矩是可控的。 伺服电机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压，改变控制电压可以变更伺服电机的转速及转向。 伺服电机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电机的交流伺服电机两大类。 交流伺服电机按结构和工作原理的不同，可分为交流异步伺服电机和交流同步伺服电机。交流异步伺服电机又分为两相交流异步伺服电机和三相交流异步伺服电机，其中两相交流异步伺服电机又分为笼型转子两相伺服电机和空心杯形转子两相伺服电机 等。同步伺服电机又分为永磁式同步电机、磁阻式同步电机和磁滞式同步电机等。 直流伺服电机有传统型和低惯量型两大类。直流伺服电机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种。传统式直流伺服电机的结构形式和普通直流电机基本相同，传统式直流伺服电机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种。常用的低惯量直流伺服电机有以下几种。 ①盘形电枢直流伺服电机。 ②空心杯形电枢永磁式直流伺服电机。 ③无槽电枢直流伺服电机。 随着电子技术的飞速发展，又出现了采用电子器件换向的新型直流伺服电机。此外，为了适应高精度低速伺服系统的需要，又出现了直流力矩电机。在某些领域（例如数控机床），已经开始用直线伺服电机。伺服电机正在向着大容量和微型化方向发展。 伺服电机的种类很多，本章介绍几种常用伺服电机的基本结构、工作原理、控制方式、静态特性和动态特性等。 2.1.2 自动控制系统对伺服电机的基本要求 伺服电机的种类虽多，用途也很广泛，但自动控制系统对它们的基本要求可归结为以下几点。
直流伺服电机的结构与分类 直流伺服电机的品种很多，根据磁场产生的方式，直流电机可分为他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。在结构上，直流伺服电机有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，还有无刷直流伺服电机。根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。永磁直流伺服电机只能采用电枢控制方式，一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。 在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机主要有以下几种：1．小惯性直流伺服电机 小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式，电枢绕组有无槽电枢式、印刷电枢式和空心杯电枢式三种。因为小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上，这类伺服电机应用得比较多。 2．大惯量宽调速直流伺服电机 大惯量宽调速直流伺服电机又称直流力矩电机。一方面，由于它的转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量比较其他类型电机大，且能够在较大过载转矩时长时间地工作，因此可以直接与丝杠
相连，不需要中间传动装置。另一方面，由于它没有励磁回路的损耗，它的外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。它还有一个突出的特点，是能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1r／min，甚至0.1r／min。因此，这种伺服电机在数控机床上得到了广泛地应用。 3．无刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机又叫无整流子电机。它没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。它实质是一种交流调速电机，由于其调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，大大地提高了电机的使用寿命。
交流伺服电机及其调速分类和特点 长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 分类和特点 1．异步型交流伺服电动机 异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。 2．同步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁
伺服电机和伺服驱动器的使用介绍 一、伺服电机? 伺服驱动器的控制原理 伺服电机和伺服驱动器是一个有机的整体，伺服电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。 1、永磁式同步伺服电动机的基本结构 图1为一台8极的永磁式同步伺服电动机结构截面图，其定子为硅钢片叠成的铁芯和三相绕组，转子是由高矫顽力稀土磁性材料（例如钕铁錋）制成的磁极。为了检测转子磁极的位置，在电动机非负载端的端盖外面还安装上光电编码器。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）。 图1 永磁式同步伺服电动机的结构 图2 所示为一个两极的永磁式同步电机工作示意图，当定子绕组通上交流电源后，就产生一旋转磁场，在图中以一对旋转磁极N、S表示。当定子磁场以同步速n1逆时针方向旋转时，根据异性相吸的原理，定子旋转磁极就吸引转子磁极，带动转子一起旋转，转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度（同步转速n1）相等。当电机转子上的负载转矩增大时，定、转子磁极轴线间的夹角θ就相应增大，导致穿过各定子绕组平面法线方向的磁通量减少，定子绕组感应电动势随之减小，而使定子电流增大，直到恢复电源电压与定子绕组感应电动势的平衡。这时电磁转矩也相应增大，最后达到新的稳定状态，定、转子磁极轴线间的夹角θ称为功率角。虽然夹角θ会随负载的变化而改变，但只要负载不超过某一极限，转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速n1转动，即转子的转速为： （1-1）
图 2 永磁同步电动机的工作原理 电磁转矩与定子电流大小的关系并不是一个线性关系。事实上，只有定子旋转磁极对转子磁极的切向吸力才能产生带动转子旋转的电磁力矩。因此，可把定子电流所产生的磁势分解为两个方向的分量，沿着转子磁极方向的为直轴（或称d轴）分量，与转子磁极方向正交的为交轴（或称q轴）分量。显然，只有q轴分量才能产生电磁转矩。 由此可见，不能简单地通过调节定子电流来控制电磁转矩，而是要根据定、转子磁极轴线间的夹角θ确定定子电流磁势的q轴和d轴分量的方向和幅值，进而分别对q 轴分量和d轴分量加以控制，才能实现电磁转矩的控制。这种按励磁磁场方向对定子电流磁势定向再行控制的方法称为“磁场定向”的矢量控制。 2、位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。 图 3 ? 稳态误差接近为零； ? 动态：在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。
教你认识和了解交流伺服电机 本文转载自：工控商务网 伺服电机内部的转于是永磁铁，驱动gS控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此礤场的作用下转动，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)。两相电机和四相电机有何不同?真正的两相步进电机在定子上只有2个绕组，有4相出线，一般整步步距角为1.8半步为o。9”。在驱动器中，只要对两相绕组电流通断和电流方向进行控制就可以了。而4相步进电机在定子上有四个绕组，有8根出线，整步为O.9，半步为0.45 。不过在驱动器中需要刘4个绕组进行控制，电路的复杂性和成本都明显增加。所以一般我们都选择两相电机配两相驱动器．如果需要更小的步距角，可以采用细分驱动器。细心的用户会发现，四通电机公司生产的电机称为两相，实际有两相4线的，也有四相日线的；驱动器中有两相的却没有四相的。这是因为，四相绕组两两并联或串联后就成为两相绕组，这样四相电机就变成两相电机了，而串联和并联会带来电机．的绕组电阻和电感的成倍变化。从而带来电机运行性能的明显变化。 一般来说，并联使用时，电机有较好的加速性能．高速力矩保持得好，但是电机需要输入2倍‘额定电流的电流．发热较大．对驱动器输出能力的要求相应提高；而在串联使用时，电机有较好的低速稳定性，噪声和发热较小，对驱动器要求不高但是高速力矩损失较大。四通提供的驱动器全部呈两相的，所以电机也必须改接咸两相使用。这就是为什么我们往往要问客户电机，希望接成串联的还是并联的。过去我们的8线电机标成四相，但是经常造
成客户误会．认为四相电机．和两相驱动器不匹配为了减少类似麻烦，后来将电机均标成两相的了。所以，我们有晌简单回答这个问题两相电机．和四相电机实质上是一回事。两相和五相的混合式步进电机的应用场合有何一般来说．两相电机，步距角大．高速特性好，但是存在低速振动区。而五相电机步距角小，低速运行平稳，所以，在刘电机的运转精度要求较高，且主要在中低速段(一般低于日OOr／min) 的场合应选用五相电机．；反之，若追求电机的高速性能，对精度及平稳性无太多要求的场合应选用成本较低的两相电机。另外．五相电机的力矩通常在2NM以上，对小力矩的应用，一般采用两相电机，而低速平稳性的问题可以通过采用细分驱动器的方式解决。 如何控制步进电机的转动方向? 当您的控制韶(上位机)发出的是双脉冲[即正负脉冲)或脉冲信号的幅值不匹配时，需要用我们的信号模块转换为5V单脉冲(脉：中加方向)。 (1)输入为双脉冲信号模块的拨码开关应拨到·双脉：中·位置。当发正脉；中的，电机正转；当发负脉冲的，电机反转。正负脉冲不可同时给，具体时序可参照信号模块说明书。 (2)输入为单脉冲信号模块的拨码开关应拨到单脉冲”位置。当有脉冲输出时电机转动。改变方向信号的高低电平可改变电机转动方向。具体时序可参照信号模块说明书。 伺服电机和步进电机相比，有何优势? 和步进电机相比，伺服电机．有以下几点优势 (1)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。
一、相关概念 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。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。 在机器人中，伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，控制连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接，驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反馈信号，即速度反馈和换向信号。 伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进，工业机器人用的较多的是交流。 机器人用伺服电机
二、伺服系统的技术现状 2.1视觉伺服系统 随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈，对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。 视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。 其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了控制器的设计，但是一般需要已知目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，研究较为成熟，但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法，利用更多的图像信息对任务进行描述，从而增强视觉系统的鲁棒性，但是模型较为复杂，控制器的设计较为困难，且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。 2.2伺服系统控制技术 现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统，而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器，把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中，可以实现更好的控制性能。 最近几十年，由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种： 1）矢量控制矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的
交流伺服电机 优点 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。 直流伺服电机 直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂，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），会产生电磁干扰，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。 直流伺服电机不包括直流无刷伺服电机——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，电机功率有局限做不大。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。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 用途： 1、各类数字控制系统中的执行机构驱动。 2、需要精确控制恒定转速或需要精确控制转速变化曲线的动力驱动。 按电机惯量大小可分为： 1、小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻孔机 2、中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统 3、大惯量直流电机——数控机床的主轴电机 4、特种形式的低惯量直流电机 步进电机 优点
1、电机旋转的角度正比于脉冲数； 2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4、优秀的起停和反转响应； 5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本； 7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转； 8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺陷 1、如果控制不当容易产生共振； 2、难以运转到较高的转速； 3、难以获得较大的转矩； 4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低； 5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 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。
伺服系统的特点、分类及发展方向 伺服电机（servomotor）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。 数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。 一、伺服系统的基本要求和特点 1.对伺服系统的基本要求 （1）稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。 （2）精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间。 （3）快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。 2、伺服系统的主要特点 （1）精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
直流伺服电机 一、直流伺服电机的发展史 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。 虽然直流伺服电机的各方面性能都会比其他的产品要好，但是直流伺服电机电机也不是最近才发展起来得，我们来简单看一下直流伺服电机电机的发展史吧~近几年来，随着数控技术的发展，直流伺服电机驱动器的优势明显突出来了，交流直流伺服电机系统的应用也越来越广泛，再后来国家对于制造装备及其技术改造工作的重视，全数字式交流永磁直流伺服电机系统的性价比也是逐步提高，各种工业的应用也是越来越广泛，未来直流伺服电机电机的发展将会成为一个大的趋势。 早在60年代直流直流伺服电机电动机就已经诞生和发展，并且当时在相关领域获得广泛应用，这是直流伺服电机系统的控制方式也发生了变化，开始有开环控制变成了闭环控制，这时在数控领域，永磁式直流电动机因共控制电路简单、无励磁损耗、低速性能好等一系列优点仍然占据着统治地位。直至80年代，随着电力电子技术、微电子技术、各种控制技术和计算机技术的发展，很快推动了交流直流伺服电机驱动技术的发展，这时就会督使交流直流伺服电机系统的性能逐渐提高，和其对应的直流伺服电机传动装置也经历模拟式、数模混合式和全数字化的发展历程。 直到90年代交流直流伺服电机系统的发展慢慢取代了开环直流伺服电机系统，现在，交流直流伺服电机系统的发展越来越成熟，市场也呈现出多元化发展。 二、特点 伺服电机的优点 绝对定位系统：使用伺服的要点是因为它们允许计算机设置电机将移动的特定角度。然而，不仅如此，如果伺服机构移动，控制器可以查询电机以确定其角度。 高速大扭矩：由于采用了传动系统，伺服系统可以产生大的扭矩，并且可以高速移动。 保持力矩：使用伺服系统的另一个好处是，一旦将其设置为特定角度，伺服系统将抵抗试图将其移出位置的力。如果伺服经受的力太大而伺服不能保持位置，并且电机移出位置，则一旦移除力，它将再次移回。
交流伺服电机的工作原理概述 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）。 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。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到 7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。 以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中 期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列 有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL 系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM