伺服系統介紹2021/5/91目錄伺服系統概述系統結構原理以及分類伺服電機伺服驅動編碼器以及制動方式介紹伺服與步進區別伺服選型2021/5/92一、伺服系統概述

伺服系統(servomechanism)又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。本文主要介紹機電伺服系統。2021/5/93詳細解釋：伺服系統（servomechanism）是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。2021/5/94二、系統的結構原理以及分類

1、結構原理最基本的伺服系統包括伺服執行元件（電機、液壓缸等）、反饋元件和伺服驅動器，但是要讓這個系統運轉起來還需要一個上位機構，PLC,專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便于給伺服驅動器發送指令。伺服系統主要由三部分組成:控制器,功率驅動裝置,反饋裝置和電動機.控制器按照的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差,調節控制量;功率驅動裝置作為系統的主回路,一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上,調節電動機轉矩的大小,另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉.（如圖一所示）2021/5/95位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋圖一2021/5/96伺服控制經典電路圖2021/5/972、系統分類

伺服系統的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種.（1）按元件特性和信號作用特點分類.分為模擬量控制和數字量控制.(2)按驅動元件的類型分類伺服控制系統按所用控制元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統(液壓控制系統)和氣動伺服系統。(3)按控制原理分類.伺服系統可分為(開環控制伺服系統、)閉環控制伺服系統和半閉環控制伺服系統。常見的四種伺服控制系統如下:2021/5/98(1)液壓伺服控制系統液壓伺服控制系統是以電機提供動力基礎，使用液壓泵將機械能轉化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作，完成各種設備不同的動作需要。液壓伺服控制系統按照偏差信號獲得和傳遞方式的不同分為機-液、電-液、氣-液等,其中應用較多的是機-液和電-液控制系統。按照被控物理量的不同,液壓伺服控制系統可以分為位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、壓力控制和其他物理量控制等。液壓控制系統還可以分為節流控制(閥控)式和容積控制(泵控)式。在機械設備中,主要有機-液伺服系統和電-液伺服系統。2021/5/99(2)交流伺服控制系統交流伺服控制系統包括基于異步電動機的交流伺服系統和基于同步電動機的交流伺服系統。除了具有穩定性好、快速性好、精度高的特點外，具有一系列優點。它的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。(3)直流伺服控制系統交流伺服控制系統的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用于這種系統，因此，它憑借控制簡單，調速性能優異，在數控機床的進給驅動中曾占據著主導地位。2021/5/910(4)電液伺服控制系統它是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構組成的反饋控制系統。最常見的有電液位置伺服系統、電液速度控制系統和電液力(或力矩)控制系統。以上是我們常用到的四種伺服系統，他們的工作原理和性能以及可以應用的范圍都有所區別，各有自己的特點和優缺點。因此在選擇或者購買的時候，就需要根據系統的需要以及需要控制的參數和實現的性能，通過計算后在選擇合適的產品。2021/5/911三、伺服電機1、伺服電機簡介：伺服電機(servomotor)是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。2021/5/912伺服電機主要分為直流伺服電機和交流伺服電機，其中直流伺服又分為有刷直流伺服和無刷直流伺服，交流伺服又分為異步交流伺服和永磁同步交流伺服。（實際上無刷直流伺服也算是交流伺服一派的，只不過區別在于用直流供電，并控制器電子換向實現交流電機驅動）由于主要用于控制，因此市面上大多的伺服電機通常是指永磁同步電機，因為其控制響應性能最優；久而久之，大家日常說道的伺服電機通常都是指永磁同步電機。

2021/5/9132、電機特點：直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環境有要求高。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定?？刂茝碗s，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。2021/5/9142021/5/9153、永磁同步伺服電機永磁同步伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。特點如下：控制速度非?？?，從啟動到額定轉速只需幾毫秒；而相同情況下異步電機卻需要幾秒鐘。啟動扭矩大，可以帶動大慣量的物體進行運動。

功率密度大，相同功率范圍下相比異步電機可以把體積做得更小、重量做得更輕。運行效率高。

可支持低速長時間運行。斷電無自轉現象，可快速控制停止動作。2021/5/916同步型交流伺服電機同步型結構較異步電機復雜，但比直流電機簡單。其定子與異步電機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉子又按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電機存在效率低、功率因數較差、制造容量不大等缺點。

但隨著異步電機控制技術的不斷發展，當前以模擬信號控制的異步電機在控制響應方面性能也跟上來了，且其亦具備永磁同步電機不具備的優點，因此異步伺服電機作為伺服電機行業的一股新生力量也在漸露頭角。2021/5/9174、異步伺服電機異步伺服電機實際上和異步電機是幾乎完全相似的，不過其引入了編碼器實現了對電機的閉環控制，因此也可以視為伺服電機的一種。尤其是當前變頻調速技術的飛速發展，異步伺服電機的實際控制性能也很不錯，配合其支持大功率、高轉速的特點，在一些永磁同步電機無法勝任的地方大放異彩。特點如下：功率可以做得很大，設計成熟，運行可靠性高。支持高速（過10000rpm）長時間運行，同比下永磁電機最高只能做到6000~8000rpm轉速。

性價比高，在對控制精度要求不高的情況下可以替代永磁電機使用。異步型交流伺服電機分為三相和單相，最受歡迎的是鼠籠式三相感應電機。有結構簡單、價優、輕巧等特點，與同容量的直流伺服相比，質量輕1/2，價格為直流的1/3。但物無完物，它也有缺點，即無法經濟地實現范圍很廣的平滑調速，必須從電網吸收滯后的勵磁電流，容易損壞電網功率因數。2021/5/918四、伺服驅動器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分。目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，事項數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。伺服驅動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的定位系統，目前是傳動技術的高端。2021/5/919伺服驅動內部電路圖2021/5/920五、編碼器和制動方式介紹1、編碼器編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。2021/5/9212、制動方式用戶往往對電磁制動，再生制動，動態制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。動態制動器由動態制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經阻容回路吸收。電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。三者的區別：(1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態制動器和電磁制動工作時不需電源。(2)再生制動的工作是系統自動進行，而動態制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。(3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動，否則可能造成放大器過載，動態制動器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態制動電阻過熱。2021/5/922六、伺服電機、步進電機的區別步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異?，F就二者的使用性能作一比較。一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、

1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的2021/5/923一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.0027°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655二、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象2021/5/924對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。三、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000R