伺服电机控制技术的应用与发展朱舒柏 发表时间：2019-11-26T09:27:03.093Z 来源：《中国西部科技》2019年第24期作者：朱舒柏 [导读] 近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。科技的进步促进伺服电机控制技术被广泛应用，不仅能够有效提升数控系统计算性能，缩短时间，还能够有效提升系统运行性能，逐渐向更加科学化、智能化方向转变。本文就伺服电机控制技术的应用与发展趋势，展开探讨。 摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。科技的进步促进伺服电机控制技术被广泛应用，不仅能够有效提升数控系统计算性能，缩短时间，还能够有效提升系统运行性能，逐渐向更加科学化、智能化方向转变。本文就伺服电机控制技术的应用与发展趋势，展开探讨。 伺服控制系统是一个整体，其主要组成元素包含了驱动、控制系统和保护系统还有电力的电子元件等，是从步进向直流进步，与数字脉宽调制技术、微电子技术等共同发展进步。同时，伺服控制技术又从直流发展到了交流，与特种电机材料技术和现代控制技术等同步发展。硬件服务控制系统为加工技术提供了推动力，实现了软件伺服控制系统的转变，提高了伺服系统运行的性能。同时，处理器和数字化伺服系统的协调发展，还提升了数控系统计算性能。 1．伺服控制系统 1.1开环伺服系统 开环伺服系统中并未设置检测反馈设备，因此也不存在运动反馈控制回路。一旦设备发出了脉冲指令，这时电动机便开始运行。虽然可能存在运动误差，但是不会做出任何信息错误反馈。期间，步进电动机在开环伺服中是最为关键的驱动部件。步进电机在步距角精度、机械传动精度等方面具有极大优势，直接关系到开环系统的精准度。通常，针对开环系统精准度没有过高要求。尽管步进电动机的转速不高，部件运行期间也存在限制，但其结构精简、可靠性高、制造成本低，所以为控制电路赋予了简单的特点。因此，开环控制系统内部没有对精度和速度提出严格要求的装置，一般会使用步进电动机。 1.2半闭环伺服系统 半闭环伺服系统，运行与调试步骤内容相对简捷，主要应用于对位置与速度的检测。测量位置无刷旋转变压器与测度的发电机构成半闭环伺服系统的两个主要部分。其中，脉冲编码器是无刷旋转变压器内部中最为重要的一个器件，抗干扰能力较强，不易受某些非线性因素影响，系统能够正常运行，实现对机械传动的控制。将系统内全部反馈信号装在电机轴中，能够有效对速度和位置两个重要信号量进行检测，并且为系统提供机械传动保障。在数控机床应用领域中半闭环伺服系统应用最广泛，由于机械传动装置精度与此系统定位精确度具有密切联系，所以即使机械传动装置精度不高，只需利用数控装置所具有的误差补偿与间隙补偿功能，也可以使其精确度有所提升。 1.3全闭环伺服系统 全闭环伺服系统是由各种装置组成，即：比较环节、伺服驱动放大器、机械传动装置、进给伺服电动机以及直线位移测量装置等。其中，全闭环伺服系统的驱动部件能够监测、反馈修正机床运动部件的移动量，即：直流伺服电动机或者交流伺服电动机。在测量机床部件时，能够构成一个较高精度的全闭环控制位置系统，可以直接利用安装在工作台的光棚或者感应同步器。在整个全闭环系统中，可以在移动的部件上，安装直线位移检测器，也就是说，这个位移检测器的精度和灵敏度就是移动部件测量精度、灵敏度，同样加工精度也相对地得到了提升。但机械传动装置之间的一些非线性因素，会影响整体的稳定性，如：摩擦阻尼、装置刚度以及反响间隙等。并且在整个全闭环伺服电机系统中，安装和调试全闭环伺服系统过程非常复杂。 2．伺服电控技术的应用 2.1低频特性中的应用 在实际低速运转过程中，步进电机常会出现低频振动现象，可见电机控制系统自身负载能力、驱动器性能好坏与低频振动有着密切关联。一般来说，电机空载起跳频率的一半就是振动频率，若是步进电机由于工作原理而产生低频振动问题，就会对运行带来阻碍，不能进行日常的工作；步进电机进入低速运转状态时，一般可以使用阻尼技术对低频振动问题加以控制。例如可以将阻尼器或驱动器中的一种，设置在电机中，通过细分技术进行控制。通过对比发现，交流伺服电机运转时稳定性更高，即使处于低速运转状态中，低频振动问题也不会出现。在交流伺服电机中，由于系统自带共振功能，能够弥补机械刚性中存在的不足进行问题，同时系统中还带有频率解析功能，可对机械共振点进行有效测量监视，及时发现问题，避免发生共振现象。 2.2在控制精准度的应用 全数字交流伺服是以2000线编码器为标准，控制交流伺服则更能体现控制精准度，将旋转编码器安装在交流伺服电机电机轴后方。驱动器的安装使用四倍频技术，脉冲量为0.045o。在数字化伺服电机系统中，如果使用17编码器其脉冲量可以换算为1.8的步距角，为 0.0027466o，电动机旋转1圈接收一次131072个脉冲。两相混合式和五相混合式是步进电机的两种形式，两相混合式步进电机的脉冲量数据较小，脉冲量为1/655.相比之下。其中，两相混合式性能较高，步距角则主要以1.8o、0.9o为主经过细分之后，性能较高的二相混合式步进电机步距角更小，可以有效实现五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72o、0.36o为主；诸如0.072o、0.18o、0.9o等二相混合式在设置步距角时，可以利用拨码开关的方式。 2.3过载能力方面应用 步进电机并没有过载性能，相反交流伺服电机则体现出极强的过载能力。例如，SANYO交流伺服电机本身就有非常高的速度过载能力和转矩过载能力。因为步进电机并不具备过载能力，因此在实践过程中为了克服启动时产生的惯性力矩，一般会选择大机型电机。但是，其中存在的问题在于，实际应用期间不需要过高的电机转矩，很容易导致力矩浪费。 3．伺服电机控制技术的发展前景 电机控制专用继承电路是企业设计伺服电机最普遍的形式，设计软件主要为复杂可编程逻辑器件和现场可编程逻辑阵列。并且在设计电机控制集成电路时，需要依据用户、电子系统要求。该电路能够实现操作边界的有效扫描，特点在于用户现场可操控编程。电机控制专用集成电路具有设计、生产时间短等特征，主要体现在制定用户要求、数量少等方面。与通用电路相比，集成电路电子技术和用户积淀系统生产出来的产品，重量轻、成本低、体积小、功耗低，质量高。并且在电机控制MCU设计、电机控制DSP设计等方面，伺服电机控制技术也有所体现。交流伺服电动机属于无刷结构，提升功率与转速快、维修几率少。20世纪80年代中，伺服电机控制技术已经融合催化加工
ST 系列交流伺服电机型号编号说明 1:表示电机外径 , 单位 :mm。 2：表示电机是正弦波驱动的永磁同步交流伺服电机。 3：表示电机安装的反馈元件，M—光电编码器，X—旋转变压器。 4：表示电机零速转矩，其值为三位数×，单位：Nm。 5：表示电机额定转速，其值为二位数×100，单位： rpm。 6：表示电机适配的驱动器工作电压，L— AC220V， H— AC380V。 7：表示反馈元件的规格，F—复合式增量光电编码器（2500 C/T ）， R— 1 对极旋转变压器。 8：表示电机类型，B—基本型。 9：表示电机安装了失电制动器。 SD系列交流伺服驱动器型号编号说明 1：表示采用空间矢量调制方式（SVPWM）的交流伺服驱动器 2：表示 IPM 模块的额定电流（ 15/20/30/50/75A ） 3：表示功能代码（ M：数字量与模拟量兼容） ●交流伺服电机与伺服驱动器适配表 ST系列电机ST系列电机ST 系列电机主要参数 适配驱动器 额定功率 电机型号额定转矩额定转速外形尺寸零售价 ( 元 ) 110ST-M02030 2 Nm 3000rpm 110×110×158 1500 110ST-M04030 4 Nm 3000rpm 110×110×185 1700 110ST-M05030 5 Nm 3000rpm 110×110×2001800 110ST-M06020 6 Nm 2000rpm SD15M 110×110×217 1900 SD20MN 110ST-M06030 6 Nm 3000rpm SD30MN 110×110×217 1900 SD50MN 130ST-M04025 4 Nm 2500rpm SD75MN 130×130×163 1800 130ST-M05025 5 Nm 2500rpm 130×130×171 2100 130ST-M06025 6 Nm 2500rpm 130×130×181 2400 130ST-M07720Nm2000rpm130×130×1952900
PLC控制伺服电机应用实例，写出组成整个系统的PLC模块及外围器件，并附相关程序。 PLC品牌不限。 以松下FP1系列PLC和A4系列伺服驱动为例，编制控制伺服电机定长正、反旋转的PLC程序并设计外围接线图，此方案不采用松下的位置控制模块FPG--PP11\12\21\22等，而是用晶体管输出式的PLC，让其特定输出点给出位置指令脉冲串，直接发送到伺服输入端，此时松下A4伺服工作在位置模式。在PLC 程序中设定伺服电机旋转速度，单位为（rpm），设伺服电机设定为1000个脉冲转一圈。PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）*100（HZ）。假设该伺服系统的驱动直线定位精度为±0.1mm，伺服电机每转一圈滚珠丝杠副移动10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故该系统的脉冲当量或者说驱动分辨率为0.01mm(一个丝)；PLC输出脉冲数=长度设定值*10。 以上的结论是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。也就是说，在计算PLC发出脉冲频率与脉冲前，先根据机械条件，综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比！大致过程如下： 机械机构确定后，伺服电机转动一圈的行走长度已经固定（如上面所说的10mm），设计要求的定位精度为0.1mm(10个丝)。为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲的行走长度低于0.1mm，如设定一个脉冲的行走长度为如上所述的0.01mm，于是电机转一圈所需要脉冲数即为1000个脉冲。此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K。松下FP1---40T 的PLC的CPU本体可以发脉冲频率为50KHz，完全可以满足要求。 如果电机转动一圈为100mm，设定一个脉冲行走仍然是0.01mm，电机转一圈所需要脉冲数即为10000 个脉冲，电机速度为1200转时所需要脉冲频率就是200K。PLC的CPU输出点工作频率就不够了。需要位置控制专用模块等方式。 有了以上频率与脉冲数的算法就只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可实现控制了。假设使用松下 A4伺服，其工作在位置模式，伺服电机参数设置与接线方式如下： 一、按照伺服电机驱动器说明书上的“位置控制模式控制信号接线图”接线： pin3(PULS1)，pin4(PULS2)为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),PULS2连接控制器(如PLC的输出端子)。 pin5(SIGN1)，pin6(SIGN2)为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻)，SIGN2连接控制器(如PLC的输出端子)。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41，P42这两个参数控制，pin7(com+)与外接24V直流电源的正极相连。pin29(SRV-0N)，伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，通俗地讲就是伺服电机已经准备好，接收脉冲即可以运转。 上面所述的六根线连接完毕(电源、编码器、电机线当然不能忘)，伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据您的要求接入控制器构成更完善的控制系统。
伺服电机计算选择应用实例 1． 选择电机时的计算条件 本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。 例：工作台和工件的 W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf ）=1000 kgf 机械规格 μ ：滑动表面的摩擦系数=0.05 π ：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf ）=50 kgf Fc ：由切削力引起的反推力（kgf ）=100 kgf Fcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf ） =30kgf Z1/Z2： 变速比=1/1 例：进给丝杠的（滚珠 Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格 Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm 例：电机轴的运行规格 Ta ：加速力矩（kgf.cm ） Vm :快速移动时的电机速度(mm -1)=3000 mm -1 ta :加速时间(s)=0.10 s Jm :电机的惯量(kgf.cm.sec 2) Jl :负载惯量(kgf.cm.sec 2) ks :伺服的位置回路增益(sec -1)=30 sec -1 1.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出: Tm = + Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P ×(Z1/Z2)=8 mm Tf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm F ×L 2πη
无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量， 摩擦系数。若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。对于水平工 作台，F值可按下列公式计算： 不切削时： F = μ（W+fg） 例如： F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm) = 0.9(Nm) 切削时: F = Fc+μ(W+fg+Fcf) 例如: F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf) Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm) =2.1(Nm) 为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时 应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。考虑到加/减速， 可选择α2/3000（其静止时的额定转矩为2.0 Nm）。 ·注计算力矩时，要注意以下几点： 。考虑由镶条锁紧力（fg）引起的摩擦力矩 根据运动部件的重量和摩擦系数计算的力矩通常相当小。镶条 锁紧力和滑动表面的质量对力矩有很大影响。 。滚珠丝杠的轴承和螺母的预加负荷，丝杠的预应力及其它一些因 素有可能使得滚动接触的Fc相当大。小型和轻型机床其摩擦力矩 会大大影响电机的承受的力矩。 。考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力（Fcf）的增加。切削力和驱 动力通常并不作用在一个公共点上如下图所示。当切削力很大时， 造成的力矩会增加滑动表面的负载。 当计算切削时的力矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。 。进给速度会使摩擦力矩变化很大。欲得到精确的摩擦力矩值，应 仔细研究速度变化，工作台支撑结构（滑动接触，滚动接触和静压 力等），滑动表面材料，润滑情况和其它因素对摩擦力的影响。 。机床的装配情况，环境温度，润滑状况对一台机床的摩擦力矩影 响也很大。大量搜集同一型号机床的数据可以较为精确的计算其负
感谢您使用本产品，本使用操作手册提供LCDA系列伺服驱动器的相关信息。内容包括： ●伺服驱动器和伺服电机的安装与检查 ●伺服驱动器的组成说明 ●试运行操作的步骤 ●伺服驱动器的控制功能介绍与调整方法 ●所有参数说明 ●通讯协议说明 ●检测与保养 ●异常排除 ●应用例解说 本使用操作手册适合下列使用者参考： ●伺服系统设计者 ●安装或配线人员 ●试运行调机人员 ●维护或检查人员 在使用前，请您仔细详读本手册以确保使用上的正确。此外，请将它妥善保存在安全的地点以便随时查阅。下列在您尚未读完本手册时，务必遵守事项： ●安装的环境必须没有水气，腐蚀性气体或可燃性气体。 ●接线时，禁止将三相电源接至马达U、V、W的连接器，因为一旦接错 时将损坏伺服驱动器。 ●接地工程必须确实实施。 ●在通电时，请勿拆解驱动器、马达或更改配线。 ●在通电动作前，请确定紧急停机装置是否随时开启。 ●在通电动作时，请勿接触散热片，以免烫伤。 如果您在使用上仍有问题，请洽询经销商或者本公司客服中心。
安全注意事项 LCDA 系列为一开放型（Open Type ）伺服驱动器，操作时须安装于遮蔽式的控制箱内。本驱动器利用精密的回授控制与结合高速运算能力的数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP ）,控制IGBT 产生精确的电流输出，用来驱动三相永磁式同步交流伺服马达（PMSM ）达到精准定位。 LCDA 系列可使用于工业应用场合上，且建议安装于使用手册中的配线（电）箱环境（驱动器、线材与电机都必须安装于符合环境等级的安装环境最低要求规格）。 在按收检验、安装、配线、操作、维护与检查时，应随时注意以下安全注意事项。 标志[危险]、[警告]与[禁止]代表的含义： ? 意指可能潜藏危险，若未遵守要求可能会对人员造成严 重伤或致命 ? 意指可能潜藏危险，若未遵守可能会对人员造成中度的 伤害，或导致产品严重损坏，甚至故障 ? 意指绝对禁止的行动，若未遵守可能会导致产品损坏， 或甚至故障而无法使用
伺服电机驱动器的广泛应用 瑞默生智能伺服电机驱动器以其优越的性能可广泛的应用于对位置、速度和力矩的精度要求较高的场合，比如：数控设备、电动门、印刷机械、包装机、贴片机、点胶机、ATM取款机、自动化生产线、医疗设备。一、稳定可靠无 故障应用领域：移动机器人：应用专用驱动器，依照指定路线，自行调整设备运动。不必使用多轴控制模块，驱动器即可调整转向实现自动补偿。可应用在各种需要移动货物的环境，尤其适合于汽车、包装、航空航天和医疗领域。激光雷达、无线电侦测及目标跟踪：微型驱动器系列，可安装于设备中几乎任何位置；结构紧凑，要求布线少；具有支持通讯、精确运动控制回路、输入反馈与可编程性。适用温、湿度差异环境中，因为可广泛应用在对于环境需求较高的领域。机械手：同时使用不同类型驱动器，并与多轴运动控制器结合在一起，组成机械手。根据定义，实现快速、精准、平滑的组合运动；保证低故障率以及连续长时间工作。可广泛应用于高精度机械加工、生产制造的无人生产环境中。二、功能描述：瑞默生智能伺服电机驱动器不但具有伺服电机驱动器的所有功能而且具备完整的PLC运动控制的功能，通过简单的配置即可实现机器上电回原点、梯形（圆弧）曲线运动控制、PVT曲线运动控制、外部中断响应等功能；此外驱动器提供丰富的外部IO接口方便用户实现左右限位开关、伺服 使能、刹车、回零、开关输入输出、模拟量输入等机器功能。和一般的驱动器相比，瑞默生智能伺服电机驱动器具备以下四大突出特点：1、兼容性好：智 能伺服电机驱动器不仅可以实现对高精度的交流伺服电机的控制，同时可以支持：直流伺服、无刷伺服、步进伺服、直线电机、音圈电机、力矩电机等电机。电机的编码器可以选择旋变、增量式编码器、磁编码器、正余弦编码器、线性霍尔、光栅尺等类型，方便用户的伺服电机适应各种强震动、高低温等恶劣环
松下PLC控制伺服电机实例程序 上位机设定伺服电机旋转速度单位为（转/分），伺服电机设定为1000个脉冲转一圈. PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）*100（HZ）。 上位机设定伺服电机行走长度单位为(0.1mm)，伺服电机每转一圈的行走长度10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故PLC发出一个脉冲的行走长度为0.01mm(一个丝)。 PLC输出脉冲数=长度设定值*10。 上面两点的计算都是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。也就是说，在计算PLC发出脉冲频率与脉冲前，必须先根据机械条件，综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比！大致方法如下： 机械安装结束，伺服电机转动一圈的行走长度已经固定（如上面所说的10mm），设计要求的行走精度为0.1mm(10个丝)。为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲的行走长度低于0.1mm，如设定一个脉冲的行走长度为如上所述的0.01mm，于是电机转一圈所需要脉冲数即为1000个脉冲。此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K。松下PLC的CPU本体可以发脉冲频率为100K，完全可以满足要求。 如果电机转动一圈为100mm,设定一个脉冲行走仍然是0.01mm，电机转一圈所需要脉冲数即为10000个脉冲，电机速度为1200转时所需要脉冲频率就是200K。PLC的CPU本体就不够了。需要加大成本，如增加脉冲输出专用模块等方式。 知道了频率与脉冲数的算法就简单了，只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可，松下PLC的程序图如下：
松下伺服常见问题 一、基本接线 主电源输入采用～220V，从L1、L3接入（实际使用应参照操作手册）； 控制电源输入r、t也可直接接～220V; 电机接线见操作手册第22、23页，编码器接线见操作手册第24～26页，切勿接错。 二、试机步骤 1.JOG试机功能 仅按基本接线就可试机； 在数码显示为初始状态‘r 0’下，按‘SET’键，然后连续按‘MODE’键直至数码显示为‘AF－AcL’，然后按上、下键至‘AF-JoG’; 按‘SET’键，显示‘JoG -’:按住‘^’键直至显示‘rEAdy’; 按住‘<’键直至显示‘SrV-on’; 按住‘^’键电机反时针旋转，按‘V’电机顺时针旋转，其转速可由参数Pr57设定。 按‘SET’键结束。 2.内部速度控制方式 COM＋（7脚）接＋12～24VDC,COM-（41脚）接该直流电源地；SRV－ON（29脚）接COM-; 参数No.53、No.05设置为1：（注此类参数修改后应写入EEPROM,并重新上电）
伺服电机计算选择应用实例 1．选择电机时的计算条件本节叙述水平运动伺服轴（见下图）的电机选择步骤。 例：工作台和工件的W ：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf）=1000 kgf 机械规格μ：滑动表面的摩擦系数=0.05 π：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg ：镶条锁紧力（kgf）=50 kgf Fc ：由切削力引起的反推力（kgf）=100 kgf Fcf ：由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf） =30kgf Z1/Z2：变速比=1/1 例：进给丝杠的（滚珠Db ：轴径=32 mm 丝杠）的规格Lb ：轴长=1000 mm P ：节距=8 mm 例：电机轴的运行规格Ta ：加速力矩（kgf.cm） Vm :快速移动时的电机速度(mm-1)=3000 mm-1 ta :加速时间(s)=0.10 s Jm :电机的惯量(kgf.cm.sec2) Jl :负载惯量(kgf.cm.sec2) ks :伺服的位置回路增益(sec-1)=30 sec-1 1.1 负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出: Tm = + Tf Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm) F :沿坐标轴移动一个部件(工作台或刀架)所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P×(Z1/Z2)=8 mm Tf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm F×L 2πη
无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量， 摩擦系数。若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。对于水平工 作台，F值可按下列公式计算： 不切削时： F = μ（W+fg） 例如： F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5×0.8) / (2×μ×0.9)+2=9.4(kgf.cm) = 0.9(Nm) 切削时: F = Fc+μ(W+fg+Fcf) 例如: F=100+0.05×(1000+50+30)=154(kgf) Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm) =2.1(Nm) 为了满足条件1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时 应大于0.9（Nm），最高转速应高于3000（min-1）。考虑到加/减速， 可选择α2/3000（其静止时的额定转矩为2.0 Nm）。 ·注计算力矩时，要注意以下几点： 。考虑由镶条锁紧力（fg）引起的摩擦力矩 根据运动部件的重量和摩擦系数计算的力矩通常相当小。镶条 锁紧力和滑动表面的质量对力矩有很大影响。 。滚珠丝杠的轴承和螺母的预加负荷，丝杠的预应力及其它一些因 素有可能使得滚动接触的Fc相当大。小型和轻型机床其摩擦力矩 会大大影响电机的承受的力矩。 。考虑由切削力引起的滑动表面摩擦力（Fcf）的增加。切削力和驱 动力通常并不作用在一个公共点上如下图所示。当切削力很大时， 造成的力矩会增加滑动表面的负载。 当计算切削时的力矩时要考虑由负载引起的摩擦力矩。 。进给速度会使摩擦力矩变化很大。欲得到精确的摩擦力矩值，应 仔细研究速度变化，工作台支撑结构（滑动接触，滚动接触和静压 力等），滑动表面材料，润滑情况和其它因素对摩擦力的影响。 。机床的装配情况，环境温度，润滑状况对一台机床的摩擦力矩影 响也很大。大量搜集同一型号机床的数据可以较为精确的计算其负
2014年12月（下） 机器人应用技术分析 石红梅 （ 北京信息职业技术学院专业部，北京市１０００７０） ［摘要］机器人的应用领域十分广泛，包括工业生产、海空探索、康复和军事等。此外，机器人已逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得 应用，并且已经进入高校的课堂。根据其功能可分为工业机器人、服务机器人、探索机器人和军事机器人。机器人核心技术的应用围绕基本结构优化与技术参数的提高。本文先将机器人的技术参数进行简单描述，对其主要知识基础与技术要求做了简单的论述，其应用的核心技术是目前国际各大企业关注的问题。［关键词］机器人；控制器；伺服系统；核心 机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。它又分为以下两种情况来定义： 工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”；如图１所示。 智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。如图２所示。 1工业机器人基本结构及技术参数1.1工业机器人基本结构 从机械结构上，可以分为串联和并列机器人，目前广泛应用的是串联通用机器人。串联通用机器人一般由手臂、手腕组成。机器人手臂具有３个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有３个自由度。如图１所示。 图１串联通用机器人 图２智能机器人 从机器人系统整体来看，分为控制器（包括示教器）、伺服驱动系统、机构、测量及传感器。其中控制器，用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。控制器是机器人的大脑，其性能和功能直接决定了机器人的整体能力。驱动系统，为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。驱动系统是机器人的肌肉，其质量、驱动能力、响应速度、稳定性，直接决定了机器人的运动能力。 目前国产工业机器人，绝大多数使用日本品牌的伺服驱动系统，如松下、安川、三菱、三洋、富士等。测量系统，用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量以及工作对象的测量，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。通常机器人自身运动部件及工件重量的测量，使用伺服驱动系统提供的位置及电流信息，工件位置、障碍物识别等使用机器视觉等外接的测量设备。 1.2工业机器人技术参数１．２．１自由度数和类型 自由度（ＤＯＦ）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。自 由度越多就越灵活，但结构也越复杂。机器人的自由度要根据其用途设计，一般在３￣６个之间。如果小于３个，不能称为机器人。大于６个的自由度称为冗余自由度（空间位姿只有６个参数）。冗余自由度能使机器人避开障碍物和改善机器人的动力性能。设计人类的手臂共有７个自由度。类型指的是所设计的关节属于转动关节还是移动关节。 １．２．２结构形式 结构形式指机器人运动链的形式，包括并联、串联、混合形式，决定了机器人适应的行业。串联结构优点是工作范围大，缺点是最大速度和刚度较差。并联结构优点是速度和刚度很好，但是工作范围小。 １．２．３运动范围 运动范围指机器人关节的运动范围，决定了工作空间的大小。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，故工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域。工作空间的大小不仅与机器人各连杆的尺寸有关，而且与机器人的总体结构形式有关。工作空间的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的盲区而不能完成任务。 １．２．４最大速度 最大速度指机器人关节或末端操作器的最高运动速度，决定了机器人的最大效率。 有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家 指手臂末端最大的合成速度，对此通常都会在技术参数中加以说明。最大工作速度愈高，其工作效率愈高。 １．２．５负载能力 负载能力指机器人在一定精度和运动条件下所能承担的最大负载，是决定机器人成本的主要参数。承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为保证安全，通常将承载能力这一技术指标确定为高速运行时的承载能力。 １．２．６重复定位精度 重复定位精度指机器人经过多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大误差范围。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，故通常用重复定位精度这一指标作为衡量示教－再现工业机器人水平的重要指标。 １．２．７控制方式 控制方式指机器人运动控制的方式，如示教再现、点位控制、或轨迹控制，是机器人控制器的基本指标。 １．２．８驱动方式 驱动方式指机器人是采用液压、气动、交流电机或步进电机控制等，目前先进的工业机器人通常采用交流电机驱动。 2机器人技术涉及的基本知识 机器人技术所涉及的基本知识范围广，归纳起来包括以下几个学科：１）工程力学（理论力学、材料力学）。２）高等代数（线性代数、矩阵分析）。 １４
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/be16857219.html, 伺服电机控制技术的应用与发展 作者：黄新宇 来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第07期 【摘要】现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的进步。电机的 主要功能是将电能转变为机械能，应用领域非常广泛，涉及航空、机械运转以及运输等多个行业。电力电子技术水平的不断提升，使电机功能更加多样化，尤其是在信息时代下，更体现了智能化的特点。电机为电机控制技术发展提供推动力，使其可以更加多方位地满足安全需求。处理器和数字化伺服系统的协调发展，相应提高了数控系统计算性能，达到了缩减时间的目的。硬件伺服控制系统实现了向软件伺服控制系统的转变，提高了伺服系统运行性能。这些变革都为加工技术提供了推动力。 【关键词】伺服电机；控制技术；应用与发展 1 伺服控制系统 1.1 开环伺服系统 开环伺服系统中并未设置检测反馈设备，因此也不存在运动反馈控制回路。一旦设备发出了脉冲指令，这时电动机便开始运行。虽然可能存在运动误差，但是不会做出任何信息错误反馈。期间，步进电动机在开环伺服中是最为关键的驱动部件。步进电机在步距角精度、机械传动精度等方面具有极大优势，直接关系到开环系统的精准度。通常，针对开环系统精準度没有过高要求。尽管步进电动机的转速不高，部件运行期间也存在限制，但其结构精简、可靠性高、制造成本低，所以为控制电路赋予了简单的特点。因此，开环控制系统内部没有对精度和速度提出严格要求的装置，一般会使用步进电动机。 1.2 半闭环伺服系统 该系统中的主要装置为无刷旋转变压器，用以检测位置、速度，而最关键的部件是装载中放置的脉冲编码器。电机轴中装载了系统内全部反馈信号，此外也包括负责系统机械传动的装置。非线性因素不会对系统运行造成影响，相反还会为安装调试提供便利。机械传动装置精准度与半闭环伺服系统定位精准度有直接关系，即便是机械传动装置的精度低，但是通过数控装置中具备的误差补偿和间隙补偿两种功能，也会提升其精准度。所以，半闭环伺服系统更多被应用于数控机床。 图1所示是伺服电机控制系统，它以C8051F060为核心，同时还有显示电路、编码器、编码器处理电路、RS485通信电路、伺服电机驱动电路、伺服电机。 2 伺服电机控制技术的应用
电机的分类和应用 众所周知，电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式，咋看下好像选型非常复杂，因此为了人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。下面我们将逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电机——控制电机和功率电机以及信号电机。 控制电机 控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”。可分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类。 1. 伺服电机 伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。一般地，伺服电机要求电机的转速要受所加电压信号的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;转矩能通过控制器输出的电流 进行控制;电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。
伺服电机有直流和交流之分，最早的伺服电机是一般的直流电机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。 2. 步进电机 所谓步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
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。
交流伺服电机的应用领域 下面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：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。 （当然有这么多好处价格就相应的上去了就看怎么选择了） 至于原理什么的我觉得就没有必要深入了解了（如果你是做销售的话） 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。 本人感觉数控机床上用的尤其多，你重点跑一些数控机床厂，一台机床（就说小型数控），他的主轴部分就需要一台，进给部分也需要一台（其他部分根据要求厂家会选择动力源），比如客户会因为成本原因选择步进电机，但你值得一试 你也可以多关心一下那些老师傅们经常跑那些领域 谢谢不够的话你再补充一下问题，我可以再详细一点 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步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机和交流伺服电机性能比较c。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秒。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
ST系列交流伺服电机型号编号说明? 1: 表示电机外径,单位:mm。? 2：表示电机是正弦波驱动的永磁同步交流伺服电机。? 3：表示电机安装的反馈元件，M—光电编码器，X—旋转变压器。? 4：表示电机零速转矩，其值为三位数×，单位：Nm。? 5：表示电机额定转速，其值为二位数×100，单位：rpm。? 6：表示电机适配的驱动器工作电压，L—AC220V，H—AC380V。? 7：表示反馈元件的规格，F—复合式增量光电编码器（2500 C/T），R—1对极旋转变压器。? 8：表示电机类型，B—基本型。? 9：表示电机安装了失电制动器。 SD系列交流伺服驱动器型号编号说明? 1：表示采用空间矢量调制方式（SVPWM）的交流伺服驱动器? 2：表示IPM模块的额定电流（15/20/30/50/75A）? 3：表示功能代码（M：数字量与模拟量兼容） ●交流伺服电机与伺服驱动器适配表 ST系列电机主要参数 适配驱动器 ST系列电机ST系列电机电机型号额定转矩额定转速额定功率外形尺寸零售价(元) 110ST-M02030 2 Nm3000rpm SD15M SD20MN SD30MN SD50MN SD75MN 110×110×1581500 110ST-M04030 4 Nm3000rpm110×110×1851700 110ST-M05030 5 Nm3000rpm110×110×2001800 110ST-M06020 6 Nm2000rpm110×110×2171900 110ST-M06030 6 Nm3000rpm110×110×2171900 130ST-M04025 4 Nm2500rpm130×130×1631800 130ST-M05025 5 Nm2500rpm130×130×1712100 130ST-M06025 6 Nm2500rpm130×130×1812400 130ST-M07720 Nm2000rpm130×130×1952900 130ST-M07730 Nm3000rpm130×130×1952900 130ST-M1001510 Nm1500rpm130×130×2193200 130ST-M1002510 Nm2500rpm130×130×2193200 130ST-M1501515 Nm1500rpm130×130×2673620 130ST-M1502515 Nm2500rpm130×130×2673620 ST系列交流伺服电机