【SE培训资料】_E1-02_伺服电机基础之电机篇(中文)
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伺服电机知识培训(工程师培训)
控制绕组
励磁绕组
电气原理图
3 旋转磁场作用下的运行分析
3.1旋转磁场的产生
同时，又假定通入励磁 绕组的电流Uf与通入控
ic Im sint
if Im sint 90
if Ic
制绕组的电流UC相位上
彼此相差900幅值彼此相
等，这样的两个电流称
为两相对称电流，用数
学式表示为
3.1旋转磁场的产生
相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形
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。
3 旋转磁场作用下的运行分析 3.1伺服电机旋转磁场的产生
为了分析方便，先假定 励磁绕组有效匝数Uf与 控制绕组有效匝数UC相 等。这种在空间上互差 900电角度，有效匝数又 相等的两个绕组称为对 称两相绕组。
培训资料
• 名称：伺服电机知识培训（工程师培训） • 所属班组：xx • 汇报人：xx
伺服电机知识培训
一.伺服电机基本知识
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们
所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
最常见的伺服是交流永磁同步伺服电机， 伺服电机内部 的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电在定子中形成 变化的电磁场，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）。最常见的是2500线标准编码器配置的伺 服电机。
表示的是一台两极的电机，即极对数P＝1。对两极电机而言，
电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当
伺服电机 基础知识
伺服电机基础知识
伺服电机是一种能够将输入的脉冲信号转换为相应的角位移或线性位移的装置，具有快速响应、精确控制和稳定性高等特点。
以下是伺服电机的基础知识：
1. 工作原理：伺服电机内部通常包括一个电机（如直流或交流电机）和一个编码器。
当输入一个脉冲信号时，电机会产生一定的角位移或线性位移，同时编码器会反馈电机的实际位置。
驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整电机转动的角度或距离，以达到精确控制的目的。
2. 分类：伺服电机主要分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。
此外，根据有无刷之分，直流伺服电机又可以分为有刷伺服电机和无刷伺服电机。
3. 特点：
精确控制：伺服电机能够精确地跟踪和定位目标值，实现高精度的位置和速度控制。
快速响应：伺服电机具有快速的动态响应，能够在短时间内达到设定速度并快速停止。
稳定性高：伺服电机具有较高的稳定性，能够连续工作而不会出现较大的误差。
噪声低：交流伺服电机通常采用无刷设计，运行时噪声较低。
维护方便：伺服电机的结构和维护都比较简单，便于使用和维护。
4. 应用领域：伺服电机广泛应用于各种需要精确控制和快速响应的场合，如数控机床、包装机械、纺织机械、机器人等领域。
5. 选型原则：在选择伺服电机时，需要考虑电机的规格、尺寸、转速、负载等参数，以及实际应用场景和工作环境等因素。
6. 日常维护：为了保持伺服电机的良好性能和使用寿命，需要定期进行清洁和维护，如检查电机表面是否有灰尘、油污等，检查电机的接线是否牢固等。
以上是关于伺服电机的基础知识，如需了解更多信息，建议咨询专业人士。
伺服电机详解
回転子
固定子
电机结构 转子 ：永磁型 定子 ：3相
转 矩
電圧
N1
N2
转速
22
永磁交流伺服电机
伺服电机的基本构成方式 各种伺服电机的主要特点，电机框图 伺服电机电磁结构动向，鸣志M3伺服电机
23
伺服电机的基本构成方式
构成方式
直流有刷伺服电机
交流伺服电机
同步伺服电机 （SM）
异步伺服电机 （IM）
SM:synchronous motor IM:induction motor
电刷位置与转矩关系
转矩最大位置
磁钢的磁场
转矩为零位置 磁钢的磁场
电流的磁场
电流的磁场
电刷的设计：保证电流磁场HF的方向与磁钢的磁场成90关系
16
直流的稳态特性
電圧、電流、転速等均不随时间变化时的电机特性
特性方程：
V = Ra I + E
E = Ke ⋅ N
Tem = Kt I
N
=
V Ke
−
R KeKt
26
永磁交流伺服电机的结构
无刷电机加编码器即可构成伺服电机
伺服电机电磁结构最新动向
近年来,行业知名厂家的最新款电机纷纷采用12槽10极结构. 10极结构电机的经纬
2004年东方BX产品化, 是行业最早10极伺服 2011年安川推出SIGAM5 (10极) 2012年松下推出A5(10极) 之后台达，汇川(10极)已有产品 伺服计划2018年量产
35
无控制时的直流电机特性
直流电机框图
Ua(s) +
-
1 La s + Ra
Ia(s)
Td(s)
Tem(s)
固定子
电机结构 转子 ：永磁型 定子 ：3相
转 矩
電圧
N1
N2
转速
22
永磁交流伺服电机
伺服电机的基本构成方式 各种伺服电机的主要特点，电机框图 伺服电机电磁结构动向，鸣志M3伺服电机
23
伺服电机的基本构成方式
构成方式
直流有刷伺服电机
交流伺服电机
同步伺服电机 （SM）
异步伺服电机 （IM）
SM:synchronous motor IM:induction motor
电刷位置与转矩关系
转矩最大位置
磁钢的磁场
转矩为零位置 磁钢的磁场
电流的磁场
电流的磁场
电刷的设计：保证电流磁场HF的方向与磁钢的磁场成90关系
16
直流的稳态特性
電圧、電流、転速等均不随时间变化时的电机特性
特性方程：
V = Ra I + E
E = Ke ⋅ N
Tem = Kt I
N
=
V Ke
−
R KeKt
26
永磁交流伺服电机的结构
无刷电机加编码器即可构成伺服电机
伺服电机电磁结构最新动向
近年来,行业知名厂家的最新款电机纷纷采用12槽10极结构. 10极结构电机的经纬
2004年东方BX产品化, 是行业最早10极伺服 2011年安川推出SIGAM5 (10极) 2012年松下推出A5(10极) 之后台达，汇川(10极)已有产品 伺服计划2018年量产
35
无控制时的直流电机特性
直流电机框图
Ua(s) +
-
1 La s + Ra
Ia(s)
Td(s)
Tem(s)
伺服电机_精品文档
伺服电动机
机械时间常数也可写为：
RJ a
J
Uc Ke
J
0
0
m K K Te
K Uc
Ra
T
T st
可见，机械特性曲线越平坦(即 机械特性越硬)，则m越小。
0
Tst T
伺服电动机
1.3 直流力矩电动机(Torque Motor)
性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特 性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。 原理：与一般直流伺服电动机相同。 结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁 平形，以获得较大的转矩。 电枢长度与直径之比一般为0.2左右。
开关特性
第四节 无刷直流电动机
(2)电磁式位置传感器
(3)光电式位置传感器
R2
D1
V1
U0
输出信号
R1
P
V2
第四节 无刷直流电动机
一相导通星形三相三状态
1）H1受光，V1导通，A相 流过电流，产生磁势Fa。
电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ径：电源正极—A相 绕组—V1管—电源负极。
2）电机顺时针转过120度后， H1被遮光，H2受光，V1关 断，V2导通，B相绕组通入 电流，产生磁势Fb。
转子按逆时针方向旋转，电角速度为r
工作情况分析：
rt=0° 换相前；换相后 rt=60°换相前；换相后
a）rt=0°换相前
b）rt=0°换相后
无刷直流电动机工作原理
a）rt=0°换相前
b）rt=0°换相 后
不同时刻的电流路径
c）rt=60°换相前
d）rt=60°换相后
b）rt=60°换相前
c）rt=60°换相后
封闭三相六状态
第四节 无刷直流电动机
伺服基础培训资料PPT课件
1000RPM）
达1~2万转/分
主要是位置控制 多样化智能化的控制方式 位置/转速/转矩方式
低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显 好，运行平滑
改善）
一般较低，细分型驱动时较高
高（具体要看反馈装置的分辨率）
高速时，力矩下降快
力矩特性好，特性较硬
过载时会失步
可3~10倍过载（短时）
大多数为开环控制，也可接编码器，防止失 闭环方式，编码器反馈
駆動 （伺服马达）
感应器数据 (位置,状態）
負荷 （球等）
9
什么叫「伺服放大器」
把供给为了以如指示的旋转角和转速让伺服机制马达 旋转的电力 （电压、电流）的装置称为伺服系统增幅 容器或伺服系统放大器（Amplifier ），简称为「伺服 系统放大器」
伺服放大器的构成伺服放大器的构成
位置
速度
電流
电流 変換
CHENLI
4
1.3 什么叫伺服系统？
生活中自动控制的例子
人根据杯子的水量、无意识地思考需要时间。
水量（少、一半、7成程度、 全满）
开关的关闭
需要时间（需要点時間；快点；慢慢地）
这个时候的人行动 扭开关 监视水龙头的水流 调节开关的大小 监视杯子里的水流 当目标水量接近时 关闭开关
水 道
目標水量
CHENLI
21
• 伺服系统之应用 o 包装印刷行业的应用 • 同步控制能力，张力控制，网络化能力等； • 横切功能：飞剪、追剪等； • 电子凸轮功能 • 无轴（电子轴）传动技术，主要技术供应商为德国的博 世力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱，国内 鲜有公司具备此能力，仅北人和松德在做无轴传动的研 究开发。
1过载倍数2电流采样精度11特性步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩一般在20nm以下小中大全范围速度范围低一般在2000rpm以下大力矩电机小于1000rpm高可达6000rpm直流伺服电机更可控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式位置转速转矩方式平滑性低速时有振动但用细分型驱动器则可明显改善好运行平滑精度一般较低细分型驱动时较高高具体要看反馈装置的分辨率矩频特性高速时力矩下降快力矩特性好特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载短时反馈方式大多数为开环控制也可接编码器防止失闭环方式编码器反馈编码器类型光电型旋转编码器增量型绝对值型光电型旋转编码器旋转变压器型响应速度一般运行温度高一般维护性基本可以免维护较好价格较高1213116116位置位置控制控制通过对移动量马达旋转数的控制而达到任意目标的位置
步进电机、伺服电机基础知识
8
（4）电机接线方法
1. 步进电机驱动器接线方法 ① 光电隔离原件作用：电气隔离、抗干扰 ② 共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法
共阳极接法
共阴极接法
9
步进电机驱动器的典型接线：
OPTO：输入信号的公共端 FREE：脱机信号（低电平 有效），当此输入控制端为低 电平时，电机励磁电流被关断， 电机处于脱机自由状态。 DIR：方向电平信号输入端， 高低电平控制电机正/反转。 CP：步进脉冲信号输入， 下降沿有效，信号电平稳定时 间不小于0.3μs。 A+、A-、B+、B-：接步进 电机线圈。
分类与结构
步进电动机分为反应式,永磁式, 和混合式三种.
C'
三相反应式步进电动机由定子 和转子两个部分构成.
右图中,定子有6个磁极,两个相
对的磁极组成一相;转子上有均 匀分布的4个齿.
B
A B'
C
A'
5
(1)步进电动机的工作原理
由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电。设相序为A→B→C→A。 当A相控制绕组通电， 而B、C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合， 而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，
A
A
A
A
C'
B' C'
B' C'
B' C'
B'
21 34
1 24
3
1 24
3
14 23
B
CB
CB
CB
C
A'
A'
A'
A'
(a)
(b)
(c)
ELAU 伺服系统培训资料中文版
Elau 伺服控制系统的组成（总图）
指令/控制部分
网络 人机界面 伺服控制器
驱动部分
பைடு நூலகம்伺服驱动器
执行部分
伺服电机
Elau 伺服控制系统的组成（简图）
Elau Max-4系列伺服控制器
功能: 采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心 实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
Elau Max-4系列伺服控制器
红灯灭掉，表示没有错误， 红灯快速闪亮表示通讯错误， 红灯慢速闪亮表示一般错误 实时总线错误显示红灯常亮，表示严重错误，
每个MC-4只连接1个下级设备
控制电压
电源接线
光纤通信口输入 直流断路器 电机控制接线 光纤通信口输出
诊断接口
编码器 屏蔽保护接线
机型
IWK450灌装机
N5002灌装机
备件编码 E18CEC0062 E18CED0078 E18CEC0063 E18CEC0064 E18CEF0037 E18CED0081 E18CED0082
扭矩
电压参数 键槽型式
防护型式
冷却型式 线圈型式 防护等级 内部编码器型号 刹车型式 特殊结构
Elau SM/SH系列伺服电机一般故障判断
原因
编码器故障 轴承抱死
故障表现
不能复位 位置错误 不能启动 过载 不能启动
线圈烧坏
失磁 接线错误 刹车故障
外部严重发热
转速慢 跳闸或通讯错误 位置错误（走位）
C600可以再面板上看到的），IP地址在同一段就OK了；
填好后单击下子网掩码， 然后点击确定，就OK了。
谢谢！ 2013-6-12
编写：廖荣章 李维 肖雄军 刘银波 邹旭艳
伺服基础培训教材PPT课件
（圆盘上的形状）
例： 由B相作为基准 B相为On时如果A相有上升沿，定义为正传。 B相为Oｆｆ时如果A相有上升沿，定义为反转。
CHENLI
20
倍频的原理
直接计数脉冲数
1个脉冲计数2次（2倍频）
1组脉冲计数4次（4倍频）
右回転時 B相
A相
①
②
① ②③ ④
①②③④ ⑤⑥⑦⑧
左回転時 B相
A相 ①
②
绝对值编码器方式
14
伺服器的工作模式：
CHENLI
15
伺服驱动器铭牌含义
CHENLI
16
伺服驱动器铭牌含义
CHENLI
17
编码器：
CHENLI
18
CHENLI
19
编码器：
１） 增量型编码器的原理
＊ 圆盘上刻有相位相差90度的A相、B相的槽 ＊ 由此可检测出旋转量和旋转方向。
旋转方向判定的原理
增量型编码器的原理
① ②③ ④
①②③ ④ ⑤ ⑥⑦⑧
本公司的绝对值编码器采用配置有电池，在伺服放大器电源关断时也能记忆当前位置情报 的方式。
伺服放大器电源打开后伺服放大器将电机轴距离原点的圈数及脉冲数所反映的当前位置情 报向上位控制器传送。
CHENLI
21
２）绝对值编码器的基本原理
＊在分辨率的范围内输出波形 是不重复的 ＊根据读取的输出波形可以得到 绝对位置的信息 ＊另外还配备了有电池作断电 备份的计数器以判断出当前所 转到的圈数位置
伺服放大器的功能框图如下图所示。
动力部分 电机
整流部分
逆变部分
反馈 CHENLI
编码器 23
１） 动力部分的构成
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笼型电机
线圈型电机 同步电机
通用电机
感应型AC 伺服电机
同步型AC伺服电机
S-FLAG属于『同步型AC伺服电机』分类
4/1
伺服电机和步进电机
项目
步进电机
伺服电机
构造
大、重
小、轻
外形尺寸
（同容量 比较）
例：２００W
系统构成 和
控制方式
85
开环方式
上 位 控 制 器 运转数据
开始信号
109
85
重量 3kg
伺服电机：□40
0.6
0.5
瞬间工作区域
0.4
0.3
0.2 连续工作区域
0.1
0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
转速 Speed［r/min］
步进电机：□60
0.6
牵出转矩
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0 1000 2000 3000 4000 50008/61000
脱调 噪音 消费电力 发热 价格 控制方式
步进电机
低：步进角 0.36°(1000) ～1000r/min以下
○／×
750W以下 短距离○
× 大 多 高 价格比较低 开环
伺服电机
高：分辨率 0.003°(131072) ～6000r/min以下
○／○
50W～2kW ○ ○ 小 少 低
价格比较高 闭环
高速域で的转矩小
伺服电机 高 14Bit,17Bit,20Bit等 17Bit的分辨率 =360°/131072=0.0027° 从低～高速域输出安定的转矩 →可以使用高速运转
从低～高速域输出同样的转矩 瞬间输出额定的3的转矩
7/1
与步进电机的比较
分辨率(pulse)
实用转速 转矩特性 (低速／高速) 输出阵容 整定时间
■组装简单的磁气式编码器
磁气式绝对值编码器
磁石 磁气传感器
组装简单 ・间隙大 ・构造简单 ・耐冲击性强
间隙1.5mm以上
光学式绝对值编码器
受光素子１０个 投光LED 透镜
２进制码盘 磁气传感器 磁石
组装复杂 ・间隙小 ・构造复杂 ・耐冲击性弱
间隙0.5mm以下
●S-FLAG ： 磁石和磁气传感器的距离大，组装简单
对伺服电机要求
・高效率
高。）
⇒ 效率：80%以上（与容量有关，大型的效率
・高定位精度
⇒ 电机轴分辨率：10000p/rev以上
・高速动作
⇒ 整定时间：10ms以下
・轨迹控制
⇒ 速度安定性：0.1%以下
3/1
电机的分类
电机有各种各样的分类
电机
直流电机 一般直流电机
交流电机
DC伺服电机 感应型电机
同步型电机 脉冲电机(步进电机）
转矩
转矩
瞬间工作区域
安全工作区域
速度
脱調し不な脱い调で的運运転转で范き围る範囲
需要考虑2～3倍 的余量。
连续工作区域
速度
可以不用考虑 象步进电机的余量。
6/1
伺服电机和步进电机
项目 停止精度
步进电机 低 （5相步进角=0.36°）
实用转速 转矩特性
低速域：转矩大 高速域：转矩小 担心脱调 不适合高速运转的应用
额定容量
可以连续使用的输出容量。
单位[W]
额定转矩
可以连续使用的力。
单位[N・m]
瞬间最大转矩
可以短时间输出的额定3倍的转矩。
单位[N・m] 严守发热的容许时间！
请参照使用说明书的过负载特性。
额定电流
可连续流入的安全电流。发热容许的电流。
单位[Arms] （单位中的[rms]是实效平均值。
是平方平均平方根（Root Mean Square）的意思。）
需要LED安定发光 消费电力大。 耐尘・耐油：×
消費电力： ×
●S-FLAG 尘和油附着到编码器上也不会影响精度。 ●他社 尘和油附着到编码器上，编码器失去功能。 16/1
谢谢大家。
高速旋转时也可以输出高转矩
效率高
伺服（Servo）： 希腊语Servus（对命令忠实） ＝ 对指令信号（命令）忠实行动（服从）
伺服电机： 有伺服机构的控制用的电机
伺服机构： 物体的位置、方位、姿势等作为控制量， 构成追随目标值的任意变化的控制系统（JIS的定义）
伺服电机：构成按照指示的命令动作的控制构造用的
日本电产三协株式会社
伺服的基础（电机篇）
【SE(销售技术)课程】
部署 MCS SE 日期 2018.07
教材编号：E1-02
伺服电机 「S－FLAG」系列产品介绍
什么是伺服电机？
1/1
伺服电机的特点
最大的特長
高精度
高转矩
省能量
与所有其他 电机比较
与同样尺寸的 步进电机比较
与异步电机 比较
可以提高分辨率
瞬间最大电流
可以短时间流过的额定3倍的电流。
单位[Arms] 严守发热的容许时间！ 11/1
表现电机的性能的术语
名称
意思
额定转速
可以连续使用的转速。
[r/min]
最高转速
可以短时间使用的最高转速。
[r/min]
转矩常数
电机流入电流，电流和磁场作用产生转矩。
[N・m/Arms] 此电流与产生的转矩之间的关系。 此值大表示是小的电流可以产生高的转矩的高性能电机。
敏捷高精度动作的电机
2/1
对伺服电机的要求事项
「制造」＝「自动化」＝「机器人」
「４K工作」使用机器人
・辛苦
（Kitsui）
・危险
（Kiken）
・脏
（Kitanai）
・洁净（非常）（Kirei）
机器人的必要性
・比人力更快 ・比人力更确实 ・比人力更重的物品 ・人不能工作的环境
「机器人」＝「伺服电机」
慣性力矩
表现旋转容易（难）、停止容易（难）。
（惯量）
[kg・m２]
额定功率变化率 电机可以输出的功率上升率。同样容量的电机，功有比其他电机高的功率变化率的高性 能。
12/1
编码器
13/1
编码器的分类
编码器根据角度检出方式和使用的素子进行分类
转速 Speed［r/min］
控制构造
■伺服的控制构造
设定目标值
控制装置 （位置・速度・转矩）（伺服驱动器） 控制量算出
电流
电机
旋转型 （转子）
输出
转矩
告知当前的角度
本章详细说明电机和 编码器。 驱动器在下一章说明。
角度检出器 （编码器）
角度计测
9/1
伺服电机的构造
伺服电机的内部是这样的构造。
轴承 键 轴
转子 编码器
定子・线圈
10/1
表现电机的性能的术语
名称
意思
电源电压
对主回路输入电源AC200V～240V进行整流、电容平滑转换为DC280V～340V。
单位[V]
电机输出容量
S-FLAG有以下电机。
单位[W]
□40： 50W,100W
□60： 200W,400W
□80： 750W
□130： 1kW,1.5kW,2kW
控脉 制冲 器发
生 器 指令脉冲
信号
驱
动
器
电机
电流变换
60
79
60
重量 0.9kg
闭环方式
上 位 控 制 器 运行数据
开始信号
控 脉 指令脉冲 制 冲 信号 器发
生
ア 电流变换
ン
プ
电机
器
动作完成
编码器
信号
信号
伺服电机小型轻量！
5/1
伺服电机和步进电机
步进电机的特性
必须考虑的余量的 范围很广！
伺服电机的特性
编码器
光学式
受光素子
罩 板
通过型 反射型
码盘 光学系统 发光部
磁气式
线圈型
分解器 VR分解器
磁石型
Ｍ Ｒ 素 子
磁石
霍尔素子 MR素子
编码器各有其优点／缺点。 请记住以下的优点
・光学式 ： 重视高精度・高分辨率的场合有优势！ ・磁气式 ： 重视耐环境性的场合有优势！
S-FLAG
14/1
磁气式编码器的强项
●他社
： LED和受光素子的距离小，组装复杂 15/1
磁气式编码器的强项
■耐尘・耐油性能强、消費电力小
磁气式绝对值编码器
光学式绝对值编码器
1对极永久磁石
处理电路
MR素子
并非检测磁场的强度 而是『检测方向』的方法， 抗汚能力强。
不需要LED发光， 抑制消费电力
耐尘・耐油：○ 消費电力： ○
码盘受污 会引起误动作。