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伺服

伺服系统概述

   1伺服系统的发展过程

   1.1直流伺服技术

   伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。

电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。

50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。

70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。

   1.2交流伺服技术

   从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。

交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

   交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:

永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。

其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并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。

并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。

但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

   系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。

为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。

三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。

速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。

电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。

电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

   1.3交直流伺服技术的比较

   直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。

直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

   交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。

所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。

   从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。

在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。

   2伺服系统相关技术的发展

   伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。

   磁性材料中，特别是永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。

以日本安川公司伺服电机产品的磁性材料为例，其磁性材料的磁能积由原来的10MGOe提高到30MGOe，从70年代到90年代的这段时间提高了3倍。

   半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。

LSI（大规模集成电路）的精细加工技术以及开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。

IGBT（绝缘栅双极型场效应管）已经发展到了第四代产品，其性能则提高了5倍以上。

微处理器（CPU）性能的大幅度增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产品的小型化创造了条件。

   交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。

   在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。

现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。

目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H∞控制等。

通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。

   3伺服系统的应用

   随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性能价格比。

伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。

在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。

表1列出了伺服系统的主要应用领域。

   表1伺服系统的主要应用领域

   4.伺服驱动产品概况

   由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛，市场上的相关产品种类很多，从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制器到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车间级和厂级监控工作站等一应俱全。

对于用户而言可以很方便地根据实际需要灵活选用。

下面以安川公司的伺服产品为例做一介绍。

   4.1伺服电机

   随着永磁材料制造工艺的不断完善，新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，大大地提高了电机的性能，同时又缩小了电机的外形尺寸。

新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器，这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根，并支持增量型和绝对值型两种类型，通信速率达4M/s，通信周期为62.5μs，数据长度为12位，编码器分辨率为20bit/rev，即每转生成100万个脉冲，最高转速达6000r/min，编码器电源电流仅为16μA。

   伺服电机按照容量可以分为超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。

超小容量型的功率范围为10W到20W，小容量型的功率范围为30W到750W，中容量型的功率范围为300W到15KW，大容量型的功率范围为22KW到55KW。

伺服电机的供电电压范围从100V到400V（单相/三相）。

   4.2伺服控制单元

   传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。

所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。

   为了提高产品的性能，新一代的伺服控制器采用了多种新技术、新工艺。

如安川公司的伺服控制器就采用了许多新的技术手段来提高其产品的性能，其中主要有以下几个方面。

（1）在电流环路中采用了d—q轴变换电流单元，在新的控制方式中，主CPU的运算量得以减少，通过硬件来进行电流环控制，即将控制算法固化在LSI专用硬件环路中。

通过采用高速的d—q轴变换电流单元，使电流环的转矩控制精度有了进一步的提高。

使用d—q轴变换电流控制，实现了在稳态运行及瞬态运行时均能保持良好的性能。

（2）采用了脉冲编码器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定时间缩短为原来的三分之一。

   （3）速度控制环采用速度实时检测控制算法，使电机的低速性能得到进一步提高，速度波动和转矩波动降到最低。

采用在线自动设定功能，使伺服系统的调试时间缩短，操作更加简单。

   （4）为了使用户更加灵活地使用伺服系统，一些产品上增加了可扩展性以及柔性化、开放性设计。

用户可以通过修改内部参数，选择控制算法，或者使用高级语言进行编程，更加灵活的使用伺服产品。

   （5）采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构，使操作及故障检测更加方便安全。

供电电源电压从100V扩展到400V（单相/三相）。

   （6）伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈，在受控执行机械部分没有反馈采样信号，即半闭环的控制方式。

目前的新产品则采用全闭环的控制方式，使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响在伺服控制器中通过计算完成修正。

   （7）采用RICS（精简指令计算机系统）技术，使CPU的数据处理能力由8位、16位提高到32位，微处理器的主频提高到百兆以上，专用控制器门阵列数量超过了10万门。

   4.3上位控制

   随着工业机械化设备对高速化、高精度化和小型化以及多品种小批量化、高可靠性、免维护性能要求的提高，安川公司为用户提供了丰富的上位机控制群可供选择。

从上层的可编程控制器（PLC）、运动控制器、机床CNC控制器，可一直连到底层的通用输入/输出（I/O）控制单元和视觉传感系统。

编程语言有梯形图、NC语言、SFC语言、运动控制语言等，均可按照用户的要求灵活配置。

系统可控制轴数从单轴到可支持多达44轴，控制器可以连接从模拟信号到网络信号的各种信号类型。

   通用机械中使用的运动控制器包括单轴控制器、双轴控制器、运动控制器和多轴高性能运动控制器等。

高性能的超高速运动控制器的程序扫描速度约为0.4—1ms/1000步，最高可支持44个轴完全同步驱动控制，适用于高速度、高精度的机械设备，如印刷机械、包装机械、半导体制造机械等等。

除了高端产品外，低端产品的单轴控制器结构小巧紧凑，支持网络化，可控制1轴伺服+主轴控制器，能完成FTP控制和跟踪控制，支持NC语言，可广泛应用于半导体制造设备、加工机械、搬运机械、卷扬机械等，具有很高的性能价格比。

   5伺服系统的发展趋势

   从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。

总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

（1）交流化

   伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。

从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。

在工业发达国家，AC伺服电机的　　市场占有率已经超过80%。

在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。

可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

（2）全数字化

   采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。

全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:

最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。

   （3）采用新型电力电子半导体器件

   目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGPT）等。

这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。

尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（IntelligentPowerModules，简称IPM）。

这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。

其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。

它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

   （4）高度集成化

   新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。

同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。

高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。

   （5）智能化

   智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。

最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:

首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。

众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。

带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。

   （6）模块化和网络化

   在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（FactoryAutomation 简称FA）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。

为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和专用的局域网接口。

这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。

也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。

   综上所述，伺服系统将向两个方向发展。

一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。

另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。

伺服电机的资料

交流伺服电机的工作原理

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）。

4.什么是伺服电机？

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。

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，

请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？

答：

交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。

直流伺服是梯形波。

但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机

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推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。

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，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

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，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

⑵定子绕组散热比较方便。

⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

⑷适应于高速大力矩工作状态。

⑸同功率下有较小的体积和重量。

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永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。

到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。

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，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。

到目前为止，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。

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、8051单片机控制改为正弦波驱动、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、绕线机等的不同需要。

以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（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。

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，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。

德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM系列的驱动控制器。

美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部（MotionControlDivision），生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服

驱动器。

后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。

美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。

电动机包括3个机座号共30个规格。

I.D.（IndustrialDrives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。

自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。

配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和SmartDrive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。

Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。

爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。

生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。

法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）

交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。

原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。

其中ДBy系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m。

2ДBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。

近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。

韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW。

现在常采用摴β时浠蕯（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。

功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。

按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。