交流伺服控制电机伺服电机控制原理

交流伺服控制电机伺服电机控制原理 “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。 直流伺服电机的优点和缺点 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) 交流伺服电机的优点和缺点 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） 缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整 PID 参数确定，需要更多的连线。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便 （换碳刷） ，产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场 合。 无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智 能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小， 温升低寿命长，适用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，其 功率范围大，功率可以做到很大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用 于低速平稳运行场合。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制 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将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从 而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。 伺服电机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。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能上有什么区别？ 答：交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流 伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。 永磁交流伺服驱动技术的迅猛发展使直流伺服系统面临被淘汰的危机 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不断推出新的交流伺服电机和伺服 驱动器系列产品。 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， 使直流伺服系 统面临被淘汰的危机。 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，运行更可靠，免维护保养。 ⑵定子绕组发热大大减少。 ⑶惯量小，系统快速响应性好。 ⑷高速大力矩工作状态好。 ⑸相同功率下体积小重量轻。 永磁交流伺服系统的兴起和现状 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 永磁交流伺服电机驱动系统开始，标志着新一代交流伺服技术已经成熟。到 1980 年代中后期，各大公司都已有了完整的系列产品，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，控制部分可由软件完成。到 20 世纪 90 年代以后，全数字正弦波控制的永 磁交流伺服电机驱动系统在传动领域中的地位进一步上升。 目前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。 永磁交流伺服系统各主要生产商概况 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的 8051 单片机控制，改为 正弦波驱动的 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、绕线机等方面的不同需求。 以生产机床数控装置而著名的日本法那克（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。其中 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