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第1章 PLC基础知识1.1 PLC简介1.1.1 PLC的定义PLC(Programmable Logic Controller)是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置,专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。
目前已经广泛地`应用于工业生产的各个领域。
早期的可编程序控制器只能用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PC。
现代可编程序控制器采用微处理（Microprocessor）作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。
PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
这样看来，PC这一名称已经不能准确反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PLC。
但是近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PLC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC。
1.1.2 PLC的产生和发展在PLC出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。
在一个复杂的控制系统中，可能要使用成千上百个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。
如果控制工艺及要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的改动，但是这种改造往往费用高、工期长。
在一个复杂的继电器控制系统中，如果有一个继电器损坏、甚至某一个继电器的某一点接触点不良，都会导致整个系统工作不正常，由于元件多、线路复杂，查找和排除故障往往很困难。
继电器控制的这些固有缺点，各日新月异的工业生产带来了不可逾越的障碍。
由此，人们产生了一种寻求新型控制装置的想法。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新的要求，提出如下设想：能否把计算机功能完备、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法合成程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的人也可以方便使用。
交流伺服工作原理
伺服工作原理是指一种能够实时控制输出位置、速度和力量的电动执行机构。
它主要由伺服电动机、编码器、控制器和电源等组成。
在工作过程中，电源为伺服电动机提供电力。
伺服电动机内部的转子与编码器相连接，编码器可以实时检测电动机的转子位置，并将其信息反馈给控制器。
控制器则根据编码器反馈的位置信息和设定的目标位置，来调节电动机的输出力和速度。
通过不断地调整输出位置和速度，控制器使电机逐渐接近设定的目标位置，从而实现精确的位置控制。
控制器使用PID（比例-积分-微分）算法来计算电动机的输出
力和速度。
通过比较编码器反馈的实际位置和目标位置的差异，PID算法可以计算出控制电机所需要的力量和速度调整值。
这
些调整值通过电源供给给电动机，从而实现闭环控制。
总结起来，伺服工作原理就是通过传感器（编码器）不断地反馈实际位置信息，控制器根据反馈信息和目标位置来调整输出力和速度，从而实现精确控制伺服电机的运动。
这种原理被广泛应用于工业自动化、机器人、CNC机床等领域。
创作编号：BG7531400019813488897SX创作者：别如克*伺服电机内部结构伺服电机工作原理伺服电机原理一、交流伺服电动机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。
当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
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：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2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。
2、运行范围较广3、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。
伺服电机内部结构及其工作原理伺服电机内部结构伺服电机工作原理1一、交流伺服电机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.如图1所示其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，连接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
图1 交流伺服电机原理图交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，如图2所示为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
图2 空心杯形转子交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。
当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
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：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2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。
图3伺服电动机的转矩特性2、运行范围较广如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。
交流伺服电机制动停转的时候产生的电流交流伺服电机制动停转的时候产生的电流伺服电机是一种常见的电动机，具有精确的位置和速度控制能力。
在使用过程中，许多人可能会注意到当伺服电机由于制动或停转时，会产生一些电流。
这种电流产生的原因是什么？它对伺服电机和系统性能有什么影响？本文将对交流伺服电机制动停转时产生的电流进行深入探讨，以便更好地理解这个现象。
对于交流伺服电机来说，制动是实现精确位置控制和快速停止的关键环节之一。
当使用制动器时，电机会在短时间内停止旋转，这会导致电机绕组的磁场发生变化，从而产生电动势。
根据法拉第电磁感应定律，当磁场发生变化时，会在电机绕组中产生感应电流。
这个过程中产生的电流被称为“回馈电流”或“反向电流”。
回馈电流的大小取决于多个因素，包括电机的特性、制动器的特性以及系统的参数。
一般来说，制动时间越短，回馈电流就越大。
这是因为制动时间短，电流变化速度快，导致感应电流增大。
另外，电机的电感和电阻也会影响回馈电流的大小，较大的电感和电阻会导致回馈电流减小。
回馈电流对伺服电机和系统性能有一定的影响。
回馈电流会导致制动器的发热。
当回馈电流通过制动器电阻时，电能会被转化为热能，导致制动器温度升高。
如果制动时间过长或回馈电流过大，制动器的温度可能会超过设计限制，导致制动器损坏或性能下降。
在设计伺服电机系统时，需要合理选择制动器和调整制动时间，以保证制动器的正常工作和寿命。
回馈电流还可能对周围电路和设备产生干扰。
由于回馈电流的存在，电机及其驱动器周围可能会有较大的电磁干扰。
这种干扰可能会对其他电子设备造成影响，影响其正常工作。
在实际应用中，需要采取一些措施，如地线连接、滤波器等，来减小回馈电流对其他设备的干扰。
对于伺服电机系统的用户来说，了解交流伺服电机制动停转时产生的电流对系统的影响至关重要。
合理调节制动时间，以避免由于回馈电流过大导致制动器温度上升过高。
采取必要的干扰抑制措施，以减小回馈电流对其他电子设备的干扰。
伺服驱动器的工作原理及其控制方式伺服驱动器（servo drives）又称为伺服控制器、伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。
整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。
伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。
尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。
当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。
该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。
一般伺服都有三种控制方式：位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
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）。
伺服电机servomotor“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。
“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。
伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
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。
伺服电机的分类伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类。
交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。
在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。
交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。
直流伺服电机的优缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。
电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。
直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
交流伺服电机的优缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护(适用于无尘、易爆环境)。
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。
1、伺服三环框图2、C为控制器，A+B是驱动器，伺服电机为执行原件，编码器为检测反馈元件；3、A框到B框的蓝色信号线里，就是调节控制频率、电压的信号，速度环、电流环的调解器都是频率f电压U调节器；4、C框为控制器，相当PLC的作用，通过计数器知道伺服当前位置，并根据当期位置输出：启动、减速、匀速、减速、停车等指令；5、A+B就是驱动器，相当变频器，通过调节频率f电压U，控制伺服的速度、电流和启动停止！6、伺服电源线上的电流互感器表示电流检测原件，将检测结果回馈给电流环的输入端与给定电流比较，构成电流闭环；7、编码器检测的脉冲频率数的微分，就是检测脉冲的频率，这个频率就是电机的转速的大小，反馈到速度环的输入端与给定速度比较，构成速度环；8、编码器检测的脉冲数，表示电机的位移量，与给定指令脉冲数比较，确定判断伺服当前位置，相当于PLC 里一个由计数器构成的逻辑判断功能，他不是一个自动控制PI D闭环；1、运动控制的三环；2、变频器，即驱动器，有电流环和速度环；3、控制器，即PLC，由计数器构成的位置环，该环不是PI D闭环！4、所谓速度环、电流环就是伺服电机调速电路的速度环、电流环，速度环控制期间，电机为硬特性；电流环控制期间电机呈软铁性！5、所有伺服，伺服电机的控制就是一个“电机调速电路”，可以是交流电机的变频调速电路，也可以是直流电机的调速电路；6、那么电机的启动、加速、匀速、减速、停车指令，由位置环产生，或者说由PL C构成的控制器产生；1、这个图中，是说伺服指令脉冲数（位置）、指令脉冲频率（速度）给定的方式；2、举例说电子凸轮给定方式、位置给定方式等；3、所有伺服，不管他是什么型号，什么厂家、国家，伺服的速度环、电流环都在伺服电机的调速电路上！4、如果是交流电机，肯定是在变频调速电路上！如果是直流电机肯定在直流调压调速电路上！1、上边这个三环框图中，A+B就是变频调速度驱动器，有速度环、电流环构成；2、对比上边的三环图，可以看出变频器就是伺服电机的速度环、电流环，他们的结构框图实质是一样的！3、或者说A+B就是变频器的闭环框图：引用 my39366 的回复内容：……根据指令位置（速度？），结合位置环增益，给出速度，再根据速度环增益，给出需要的电流，最终位置、速度都反应在电流的大小上。
交流伺服电机驱动器使用说明书1．特点●16位CPU+32位DSP三环〔位置、速度、电流〕全数字化控制●脉冲序列、速度、转矩多种指令及其组合控制●转速、转矩实时动态显示●完善的自诊断保护功能，免维护型产品●交流同步全封闭伺服电机适应各种恶劣环境●体积小、重量轻2．指标●输入电源三相200V -10%～+15% 50/60HZ●控制方法IGBT PWM(正弦波)●反馈增量式编码器〔2500P/r〕●控制输入伺服-ON 报警去除CW、CCW驱动、静止●指令输入输入电压±10V●控制电源DC12～24V 最大200mA●保护功能OU LU OS OL OH REG OC STCPU错误，DSP错误，系统错误●通讯RS232C●频率特性200Hz或更高〔Jm=Jc时〕●体积L250 ×W85 ×H205●重量 3.8Kg3．原理见米纳斯驱动器方框图(图1)和控制方框图(图2)4．接线4.1主回路卸下盖板巩固螺丝；取下端子盖板。
用足够线经和连接器尺寸作连接，导线应采用额定温度600C以上的铜体线，装上端子盖板，拧紧盖板螺丝。
螺丝拧紧力矩大于1.2Nm M4或2.0 Nm M5时才可能损坏端子,接地线径为2.0mm2具体见接线图34.2 SIG 连接器[具体见接线图4●驱动器和电机之间的电缆长度最大20M●这些线至少要离开主电路接线30cm，不要让这些线与电源进线走一线槽；或让它们捆扎在一起●线经0.18mm2或以上屏蔽双绞线，有足够的耐弯曲力●屏蔽驱动器侧的屏蔽应连接到.SIG 连接器的20脚，电机侧应连接到J脚●假设电缆长于10M，那么编码器电源线+5V、0V应接双线4.3 I/F 连接●控制器等周边设备与驱动器之间距离最大为3M●这些线至少和主电路接线相隔30cm ,不要让这些线与电源进线走同一线槽或和它们捆扎在一起●+和-之间的控制电源〔V DC〕由用户供应●控制信号输出端子可以承受最大24V或50mA；不要施加超过此限位的电压和电流●假设用控制信号直接使继电器动作要象左图所示那样，并联一只二极管到继电器。
