交流伺服电机及其控制1
PLC控制伺服电机总结
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
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。
伺服电机内部结构及其工作原理
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。
交流伺服电机的机械特性及控制方式PPT
轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的 方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电 磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。
励磁绕组 控制绕组
电气原理图
ic I m sin t
if I m sin t 90
if Ic
南京埃斯顿 太仓东元
国内重要伺服系统生产企业
5、卧龙电气集团股份有限公司 公司，前身是成立于1995年的浙江 卧龙集团电机工业有限公司。1998 年变更设立为浙江卧龙电机股份有 限公司。
6、北京和利时电机技术有限公 司，位于江苏省苏州市太仓市浏河 镇闸南工业区。
卧龙电气
北京和利时
国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：
(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。
1.4 伺服电机在自控制系统中的典型应用
其它场合的应用
国内重要伺服系统生产企业
1、广州数控设备有限公司公司，创 建于1991年，位于广州市罗冲围螺涌北 路一街7号。
C B
A
伺服电动机的机械特性
设电机的负载阻转矩为TL，控制电压 0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这 时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就 随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着 惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬 时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大 于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb， 电机就在B点运行。
德国西门子伺服电机 安川伺服电机驱动器
数控机床的伺服驱动系统
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
伺服电机及其控制原理
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
半闭环伺服系统简图
工作台的位置通过电机上的传感器或是 安装在丝杆轴端的编码器间接获得. 由于将惯性质量很大的工作台排除在闭 环之外,这种系统调试较容易、稳定性 好,具有较高的性价比,被广泛应用于各 种机电一体化设备.
编码器
Panasonic伺 服马达
位置、速度反馈
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皮带位置光栅
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2.1 伺服电机概述
定义
伺服电动机又叫执行电动机,或叫控制电动 机. 在自动控制系统中,伺服电动机是一个执 行元件,它的作用是把信号控制电压或相 位变换成机械位移,也就是把接收到的电 信号变为电机的一定转速或角位移.
步进 驱动器
步进马达
方向指令
没有反馈、只能进行一个方向的控制. 使用步进马达.
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
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开环伺服控制回路
位置控制 控制器 （ＮＣ装置）
步进 驱动器
步进马达
指令脉冲
脉冲马达
１脉冲 ＝ １步进角
例 步进角 ０.３６°的情况 １脉冲 → ０.３６°的动作
伺服电机及其控制原理
——TPM基础知识的培训素材
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目录
§1 伺服系统 1.1 伺服概述 1.2 伺服系统组成 1.3 伺服系统分类
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提高了控制运算的速度。
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2.5 关于感应电机的直接转矩控制
3)直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机的电
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第2章 感应电机伺服控制系统
2.1 感应电机伺服控制系统的构成 2.2 感应电机的数学模型与坐标变换 2.3 感应电机的矢量控制 2.3.3 解耦控制 2.3.6 弱磁控制 2.4 伺服控制感应电机的等效直流电机常数 2.4.2 伺服控制感应电机的等效直流电机常数 2.5 关于感应电机的直接转矩控制
图2-6 M-T坐标系下感应电机的框图
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2.3
感应电机的矢量控制
2.3.1 转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程
2.3.2 转差频率控制
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2.3.1 转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程
式(2-27)为感应电机两相同步旋转坐标系数 学模型的电压方程式，式右边的4行×4列系 数矩阵每一项都是占满了的，也就是说，系 统仍是强耦合的。
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2.3.3 解耦控制
图2-10 转子磁场定向控制感应电动机的系统框图
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2.3.3 解耦控制
图2-11 解耦控制的感应电动机的系统框图
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2.3.4 磁通与电流控制
图2-12 含有磁通、电流控制器的感应电机伺服系统的控制框图
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2.3.5 坐标变换的实现
图2-13 从、到、、的实现框图
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2.数字控制方式
1)系统的集成度较高，具有较好的柔性，可实现软件伺服。 2)温度变化对系统的性能影响小，系统的重复性好。
3)易于应用现代控制理论，实现较复杂的控制策略。 4)易于实现智能化的故障诊断和保护，系统具有较高的可靠性。 5)易于与采用计算机控制的系统相接。
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3.数字-模拟混合控制方式
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1.1.3 伺服系统性能的基本要求
1)精度高。 2)稳定性好。 3)快速响应。 4)调速范围宽。 5)低速大转矩。 6)能够频繁地起动、制动以及正反转切换。
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1.1.ห้องสมุดไป่ตู้ 伺服系统的种类
•伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液 压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺 服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位 置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。 •电气伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和 交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机 伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。
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1.1.1 伺服系统的定义
“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而 动作，即控制信号到来之前，被控对象是静止不动 的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作； 控制信号消失之后，被控对象应自行停止。
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1.1.2 伺服系统的组成
伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。 它由检测部分、误差放大部分、执行部分及 被控对象组成。
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2.3.2 转差频率控制
图2-7 电源频率的计算框图
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2.3.2 转差频率控制
图2-8 电源频率的简化计算方法
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2.3.2 转差频率控制
图2-9 励磁电流恒定时的电源频率计算方法
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2.3.3 解耦控制
2.3.4 磁通与电流控制
2.3.5 坐标变换的实现
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1.5 交流伺服系统的常用性能指标
(1) 调速范围D
(2) 转矩脉动系数KTr
(3)稳速精度 (4)超调量 (5)转矩变化的时间响应 (6)转速响应时间 (7)静态刚度K (8)定位精度和稳态跟踪误差
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1.6
(1)交流化
伺服系统的发展趋势
(2)全数字化
(3)高性能化 (4)多功能化 (5)低成本化 (6)小型化和集成化 (7)模块化和网络化
由于数字控制方式的响应速度由微处理器的运算速 度决定，在现有技术条件下，要实现包括电流调节 器在内的全数字控制，就必须采用DSP等高性能微 处理器芯片，这导致全数字控制系统结构复杂、成 本较高。为满足电流调节快速性的要求，全数字控 制永磁交流伺服系统产品中，电流调节器虽已数字 化，但其控制策略一般仍采用PID调节方式。同时， 考虑到系统中模拟传感器(如电流传感器)的温漂和 信号噪声的干扰及其数字化时引入的误差的影响， 全数字化控制在性价比上并没有明显的优势。
第1章 伺服系统概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 伺服系统的基本概念 伺服系统的发展过程 交流伺服系统的构成 交流伺服系统的分类 交流伺服系统的常用性能指标 伺服系统的发展趋势
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1.1
伺服系统的基本概念
1.1.1 伺服系统的定义
1.1.2 伺服系统的组成
1.1.3 伺服系统性能的基本要求 1.1.4 伺服系统的种类
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图2-16 M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系统
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2.4.1 伺服控制感应电机的等效电路
图2-17 感应电机的等效电路
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2.4.1 伺服控制感应电机的等效电路
图2-18 转矩分量等效电路
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2.4.1 伺服控制感应电机的等效电路
图2-19 励磁分量等效电路
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2.3.5 坐标变换的实现
图2-14 从、到、的实现框图
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2.3.6 弱磁控制
图2-15 转子磁链的控制框图
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2.3.7 M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系统的 构成
1)位置环、速度环、电流环控制单元、磁链控制单元、解耦控制单元。 2)电机转子位置、转速检测及信号处理计算单元。 3)坐标变换单元。 4)三相逆变单元。
1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产 生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。 2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 3)忽略铁心损耗。 4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 1.磁链方程 2.电压方程 3.电磁转矩方程 4.运动方程
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图2-3 三相静止坐标系下的三相笼型 感应电机的物理模型
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2.2.3 坐标变换
1.静止三相/两相坐标变换 2.静止/旋转两相坐标变换
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1.静止三相/两相坐标变换
图2-4 静止三相／两相坐标系 与绕组磁动势的空间矢量
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1.静止三相/两相坐标变换
图2-5 两相静止和旋转坐标系与 磁动势空间矢量图
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2.静止/旋转两相坐标变换
交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据 控制电路的指令，将电源单元提供的直流电 能转变为伺服电机电枢绕组中的三相交流电 流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器 主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主 电路等。
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1.3.3 传感器
在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流 及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、 速度环和位置环，因此需要相应的传感器及 其信号变换电路。
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1.3
交流伺服系统的构成
图1-1 交流伺服系统
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1.3.1 交流伺服电机
1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服电机) 2.感应型交流伺服电机 3.两种交流伺服电机的比较
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1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服电机)
交流伺服电机中最为普及的是同步型交流伺服电机， 其励磁磁场由转子上的永磁体产生，通过控制三相 电枢电流，使其合成电流矢量与励磁磁场正交而产 生转矩。由于只需控制电枢电流就可以控制转矩， 因此比感应型交流伺服电机控制简单。而且利用永 磁体产生励磁磁场，特别是数千瓦的小容量同步型 交流伺服电机比感应型效率更高。
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1.磁链方程
(1)互感为常数 (2)互感是角度θre的函数
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2.电压方程
•将三相定、转子绕组的电压平衡方程写成矩阵方程 形式，并以微分算子P代替微分运算符号d/dt旋转电 动势矩阵，由转子旋转产生，与转子转速成正比。
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3.电磁转矩方程
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4.运动方程
•作用在电动机轴上的转矩与电动机速度变 化之间的关系可以用运动方程来表达，转子 与负载的转动惯量之和。
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2.4.3 伺服控制感应电机的特性框图与时间常数
图2-20 伺服控制感应电机的特性框图
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2.5 关于感应电机的直接转矩控制
1)直接转矩控制以定子磁链作为被控制的磁链，控
制过程中只涉及电机定子侧的参数，即定子电压、
电流、磁链、阻抗等，所以控制效果不受转子回路 参数变化的影响。 2)直接转矩控制的控制运算均在定子静止坐标系中 进行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解 和设定，所以不需要进行静止坐标系与旋转坐标系 之间的变换运算，从而明显简化了信号的处理过程，
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2.1 感应电机伺服控制系统的构成
(1)感应电机的电动运行
(2)感应电机的发电制动
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2.1 感应电机伺服控制系统的构成
图2-1 感应电机伺服控制系统的构成
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2.1 感应电机伺服控制系统的构成
图2-2 感应电机的转子与笼型绕组 a)转子 b)笼型绕组
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2.2 感应电机的数学模型与坐标变换
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(2) 感应型交流伺服电机
1)采用磁场定向控制，转矩控制原理类似直流伺服。 2)需要无功的励磁电流，损耗稍大。 3)设计上要减小漏感及磁路饱和的影响。 4)利用弱磁控制，适合高速及恒功率运行。 5)结构简单、坚固，适合大功率应用。 6)控制复杂，参数易受转子温升影响。