伺服驱动系统的原理与种类
伺服电机的分类
伺服电机是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件，很多第一次接触到这个产品的朋友肯定一头雾水，不知道它到底是什么。
下面小编就给大家详细介绍一下到底伺服电机是什么东西以及它的分类。
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。
其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。
按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
一、交流伺服电动机结构和原理交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。
运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。
转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。
笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。
其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。
空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。
外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。
空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。
杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。
交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。
如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。
与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。
旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。
转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。
如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
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空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
伺服驱动器的种类和特点
伺服驱动器的种类和特点伺服驱动器作为现代工业中广泛应用的控制系统之一，具有其独特的种类和特点。
在本文中，我们将介绍伺服驱动器的种类和各种驱动器的不同特点。
1. 直流伺服驱动器直流伺服驱动器是最早应用于伺服系统的一种驱动器，有着成熟的技术和广泛的应用。
它由电机、编码器、控制原理等构成。
直流伺服驱动器具有响应速度快、精度高、转矩平稳等特点，但其使用寿命短、易损件多、驱动器本身波动等问题也依然存在。
2. 交流伺服驱动器交流伺服驱动器是伺服驱动器的另一种类型，在应用中也十分广泛。
它由交流电机、编码器、控制原理等组成。
交流伺服驱动器具有控制精度高、结构简单、使用寿命长等特点。
而其缺点在于响应速度慢、抗干扰能力差等。
3. 基于步进电机的闭环伺服驱动器基于步进电机的闭环伺服驱动器，是在步进电机上进行改进后发展起来的一种伺服驱动器。
它将步进电机闭环反馈技术和伺服驱动器控制系统相结合，提高了步进电机的位置和速度控制精度，同时不需要专门的电机驱动器，构造简单，成本低，是一种比较重要的技术创新方向。
4. 串列伺服驱动器串列伺服驱动器是一种数字式的伺服驱动器，它具有响应速度快、定位精度高等特点。
该驱动器内部采用串列通信，可以通过上位机实现远程通信控制，广泛应用于机床、切割机、印刷机等设备中。
5. 多轴伺服驱动器多轴伺服驱动器是一种可以同时控制多个伺服驱动电机的设备。
多轴伺服驱动器一般由中央控制器、插补控制器、驱动板等构成，可以实现多个伺服电机的联动控制和同步运动。
在工业机器人、自动化生产线等领域中，多轴伺服驱动器被广泛使用，是未来智能制造的重要组成部分。
总之，伺服驱动器具有响应速度快、精度高、结构简单等明显特点，不同类型的伺服驱动器在控制精度、控制能力、适用范围等方面存在差异和特点。
在应用和选择时，需要根据具体需求进行选择和搭配，以便更好地发挥伺服驱动器在工业自动化和控制领域的作用。
交流伺服驱动器原理及调试资料
5. 低速大转矩，过载能力强 一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚
至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间 内可以过载4～6倍而不损坏。
6. 可靠性高 要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、
工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振 动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。
对电机的要求
1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要 小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的 速度而无爬行现象。
④ 反馈值与给定值相比较，如果有偏 差通过电流环输出控制电流使用其 差值改为零
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1.3.1 伺服放大器控制回路
伺服放大器三种控制方式
1 转矩控制： 通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机 轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转 矩的场合。 ——电流环控制
2 速度控制： 通过模拟量的输入或脉冲的频率对转动速度的控制。 ——速度环控制
3 位置控制： 伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入 的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来 确定转动的角度,所以一般应用于定位装置 。 ——三环控制
思考：三环中哪个环的响应性最快？
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2.2 伺服的作用
按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。
伺服电机锁定功能
2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内 过载4～6倍而不损坏。
3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯 量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和 启动电压。
4、电机应能承受频繁启、制动和反转。
三、 伺服驱动器的电气控制原理
1.外部控制电路结构 2.内部电路结构
伺服驱动系统设计方案
伺服驱动系统设计方案伺服电机的原理：伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。
与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。
定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的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)。
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。
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作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。
交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。
但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。
而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。
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、运行范围较宽如图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。
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。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。
伺服工作原理
伺服工作原理
伺服工作原理是指通过运用反馈控制原理，使系统能够实时地根据所需输出值进行调整和校正，以达到精确控制输出的目的。
伺服系统主要包括信号调整器、执行器和反馈装置三个主要组成部分。
其中，信号调整器负责将输入信号进行放大、加工和调整，生成合适的控制信号。
执行器接收来自信号调整器的控制信号，并将其转化为相应的动作或力，以实现所需的运动或输出。
反馈装置监测执行器的输出，并将实际输出值反馈给信号调整器，用于校正和调整控制信号，以使输出更加准确。
在伺服系统中，最常见的反馈装置是编码器。
编码器通过测量旋转角度或线性位移的变化来获取系统的实际输出值，并将其转化为脉冲信号输出。
这些脉冲信号回传给信号调整器，用于比较和校正与期望输出值之间的差距，并生成修正后的控制信号。
当系统工作时，信号调整器将输入信号与反馈信号进行比较，并生成误差信号。
误差信号经过放大和滤波处理后，送入执行器，使其作出相应的调整。
执行器将调整后的输出力或运动传递到负载上，实现所需的运动或输出。
通过反复的比较和调整过程，伺服系统能够实现精确控制输出，并能够在外界干扰或负载变化的情况下自动校正。
伺服系统广泛应用于工业自动化、机器人技术、机械加工、医疗设备等领域，为各种精密控制提供强大支持。
《伺服驱动技术》课件
汇报人：
目录
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伺服驱动技术概述
伺服驱动系统的组 成
伺服驱动技术的原 理
伺服驱动技术的性 能指标
伺服驱动技术的应 用案例
添加章节标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动技术是一种通过控制电机的转速、位置和转矩来精确控制机械运动的技术。
伺服驱动技术广泛应用于工业自动化、机器人、数控机床等领域。
航空航天： 用于控制 航天器的 姿态和轨 道
汽车电子： 用于控制 汽车的电 子系统， 如刹车、 转向等
19世纪末，直流伺服电机诞生
20世纪初，交流伺服电机出现
20世纪50年代，数字伺服技术开始发 展
20世纪70年代，交流伺服技术逐渐成 熟
20世纪80年代，交流伺服技术广泛应 用于工业自动化领域
21世纪初，伺服驱动技术向智能化、 网络化方向发展
汽车电子：用于汽车电子设备的控制，如电动助力转向系统、电子稳定系统等
伺服驱动技术的未 来发展
趋势：智能化、网络化、 集成化
挑战：技术瓶颈、成本压 力、市场竞争
发展趋势：高性能、高精 度、高可靠性
挑战：技术更新、人才短 缺、市场变化
提高响应速度：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的响应速度。 提高精度：通过采用高精度传感器和精密控制算法，提高伺服驱动系统的精度。 提高稳定性：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的稳定性。 提高智能化水平：通过采用人工智能技术，提高伺服驱动系统的智能化水平。
伺服控制器是伺服驱动系统的核心部件，负责接收控制信号并输出相应的控制电流。
伺服控制器的工作原理是通过接收来自上位机的控制信号，经过处理后输出相应的控制电流， 控制伺服电机的转速和转矩。
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统的工作原理主要包含以下几个步骤：
1. 输入信号处理：伺服驱动系统接收来自控制器的输入信号，这些信号通常是模拟或数字信号。
输入信号经过处理后将传递给驱动器。
2. 反馈信号采集：伺服驱动系统通过反馈装置采集伺服电机的位置或速度信息。
这些反馈信号将用于控制伺服电机的运动。
3. 误差计算：伺服驱动系统将输入信号和反馈信号进行比较，计算出误差。
误差是控制器用来调整驱动器输出信号的基础。
4. 功率驱动单元：功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。
这个过程可以简单的理解为AC-DC-AC的过程。
5. 控制方式：伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
总的来说，伺服驱动系统是一个非常复杂的系统，其工作原理涉及多个环节和步骤。
如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
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机电一体化系统设计基础课程教学辅导
第四章：伺服驱动系统的原理与种类
一、教学建议
●通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性。
●流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性；
●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。
二、教学要求
1．掌握伺服驱动的基本原理
一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。
图1 伺服系统组成框图
（1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。
（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。
（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。
（4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。
无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。
2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性
（1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。
表1 伺服驱动系统的特点及优缺点
①开环伺服系统
如图2所示，若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。
开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此在一些精度、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。
图2 开环伺服系统
②全闭环伺服系统
如图3所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置，将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，将所得的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止，定位精度可以达到亚微米量，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。
但由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本高。
因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。
图3 全闭环伺服系统
③半闭环伺服系统
半闭环伺服系统中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，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺
服系统。
图4所示。
由于部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度比全闭环的稍差。
但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，所以结构比较简单，调整、维护也比较方便。
由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，系统调试比较容易、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。
图4 半闭环伺服系统。