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控制电机论文

伺服电机

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摘要

控制电机是各种自动化技术的基本环节，它的发展与微电子技术、电力电子技术和自控技术密切相关。

本文系统的阐述了伺服电动机的基本工作原理，伺服电机的分类、特点，并与其他电动机作了简单的对比，伺服电机目前的发展状况以及未来的发展趋势。

随着时代的进步，科学技术的发展，电动机也在迅速发展，性能优越，价格便宜，控制方便的电机更能符合市场的需要和技术的要求。

关键词：

伺服电机控制电机工作原理发展现状

目录

一、伺服电动机的概念1

二、伺服电动机的工作原理1

三、伺服电动机的分类2

四、伺服电动机的特点2

五、交流伺服电动机的发展现状2

六、与步进电机的性能比较3

1、控制精度不同3

2、低频特性不同3

3、矩频特性不同4

4、过载能力不同4

5、运行性能不同4

6、速度响应性能不同4

七、选型计算方法5

八、交流伺服电动机的发展趋势5

1、高效率化5

2、通用化5

3、智能化5

4、网络化和模块化6

5、小型化和大型化6

九、结论6

十、参考文献7

一、伺服电动机的概念

伺服电机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。

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。

二、伺服电动机的工作原理

1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

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。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，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，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

2.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，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

因而适合做低速平稳运行的应用。

3.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）。

三、伺服电动机的分类

伺服电动机分交、直流两类。

交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。

直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。

四、伺服电动机的特点

对于直流伺服马达：

优点：

精确的速度控制，转矩速度特性很硬，原理简单、使用方便，价格优势。

缺点：

电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（对于无尘室）

对于交流伺服马达：

优点：

良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；高效率，90%以上，不发热；高速控制；高精确位置控制（取决于何种编码器）；额定运行区域内，实现恒力矩；低噪音；没有电刷的磨损，免维护；不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境惯量低。

缺点：

控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数整定，需要更多的连线。

五、交流伺服电动机的发展现状

随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。

针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。

同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：

模拟形式、数字形式和软件形式。

模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。

数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。

可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。

具有较丰富的自诊断、报警功能。

软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。

其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。

使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。

配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。

一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

六、与步进电机的性能比较

1、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，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通过细分后步距角更小。

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。

2、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。

3、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。

4、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

6、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

七、选型计算方法

1、转速和编码器分辨率的确认。

2、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。

3、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。

4、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。

5、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。

八、交流伺服电动机的发展趋势

1、高效率化

尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。

主要包括电机本身的高效率，也包括驱动系统的高效率化，采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。

2、通用化

通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机。

3、智能化

现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。

4、网络化和模块化

现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。

随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。

模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。

5、小型化和大型化

无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展，比如20，28，35mm外径；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，已经看到500KW永磁伺服电机的出现。

体现了向两极化发展的倾向。

九、结论

电动机看似简单，仔细深入研究才能发现其道理深奥，在电动机设计的道路上，人们依然努力，以最低的消耗产生最大的输出，是电动机追求的目标。

随着新材料的使用，电力电子技术的发展，随着新理念的诞生，电动机的进化，发展依然持续。

21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。

相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和制造技术的快速发展，必将为加工和制造技术的核心技术之一的伺服驱动技术迎来又一大好的发展时机！

十、参考文献

[1]杨渝钦.控制电机[M].机械工业出版社，2011.

[2]高景德王祥珩.交流电机的多回路理论[J]．清华大学学报，1987.

[3]郭庆鼎王成元.交流伺服系统[M].中国机械出版社.

[4]曾成碧赵莉华.电机学[M].机械工业出版社.