伺服系统的基本构成
永磁同步电机伺服控制系统
1 永磁同步电机伺服控制系统的构成
基本部分： 永磁同步电机； 电压型PWM逆变器； 电流传感器； 磁极位置传感器； 电流控制器。
如果需要进行速度和位置控制，还需要速 度传感器、速度控制器、位置传感器以及位置 控制器。
永磁同步电机伺服控制系统
永磁同步电机伺服控制系统构成如图1 所示：
图6 永磁同步电机的常用转子结构
永磁同步电机伺服控制系统
(a) 直轴电枢反应磁通路径 (b) 交轴电枢反应磁通路径
图7 交、直轴电枢反应磁通路径
永磁同步电机伺服控制系统
对于图6（k）所示结构，通过采用多层 倒圆弧形永磁体来增大磁阻转矩，永磁体的抗 去磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦 形。
表面永磁体结构的优点：转子直径小，转 动惯量低；等效气隙大、定位转矩小、绕组电 感低，有利于电机动态性能的改善；这种转子 结构电机的电枢反应小、转矩电流特性的线性 度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交 流伺服电机多采用这种转子结构。
永磁同步电机伺服控制系统
增加绕组的分布系数，使电动势波形的 正弦性得到改善；
可以得到线圈节距为 1 的集中式绕组设 计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周 长和端部伸出长度，减少了用铜量；线 圈端部没有重叠，可不放置相间绝缘；
可能用专用绕线机 ，直接将线圈绕在齿 上，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生 产率，降低了成本；减小了定子轭部厚 度，提高了电机的功率密度；
电机绕组电阻减小 ，铜耗降低，进而提 高机效率和降低温升；
降低了定位转矩，利于减小振动和噪声。
永磁同步电机伺服控制系统
如图4为具有分数槽绕组的电机定子。
图4 具有分数槽绕组的电机定子
永磁同步电机伺服控制系统
伺服传动系统
7、步进电机的驱动控制电路 、
单电压驱动
双电压驱动
斩波恒流驱动（电流驱动）
二、直流电动机的调压调速原理
直流电动机
U IR n= KΦ
U－电枢电压，I－电枢电流，R—电路 总电阻，Φ－每极磁通量，K－电动机 结构参数
由上式可知，直流电动机的控制方式如下： 调压调速（改变电枢电压，恒转矩调速） 调磁调速（改变励磁电流，恒功率调速） 改变电枢回路的电阻调速
（2）功率晶体管（GTR） 功率晶体管（GTR）
工作状态
有截止，有源放大和饱和三种状态， 有截止，有源放大和饱和三种状态，一般作为开关 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和， 使用，开通时要驱动，正常导通时要线饱和，关断 时要反偏， 时要反偏，目前驱动电路已集成化。
特点：饱和压降低，载流密度大，驱动电流较 特点：饱和压降低，载流密度大， 大。 （3）场效应晶体管（MOSFET） ）场效应晶体管（ ） 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 特点：驱动功率大，开关速度快，导通压降大， 载流密度小。 载流密度小。
四、伺服系统基本要求 精度高 指输出量复现输入指令信号的 精确程度，通常用稳态误差表示
影响伺服系统精度的因素： 影响伺服系统精度的因素：
传感器的灵敏度和精度 1、组成元件本 身误差 伺服放大器的零点漂移和死区误差 机械装置反向间隙和传动误差 各元器件的非线性因素等 结构形式 2、系统本身 输入指令信号的形式 响应速度快 是衡量伺服系统动态性能的重要指标
调速范围大 是伺服系统提供的最高速与最低 速之比，即： R = nmax n nmin 要求： Rn要大，并且在该范围内，速度稳定； 无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时， 能输出额定的力 或力矩； 在零速时，伺服系统处于 “锁定” 状态，即惯性 锁定” 小。 应变能力和过载能力大 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速 的冲击； 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的 过载而不致损坏
S120调试手册
前提：电脑上应安装STEP7及STARTER软件；
Step1.在STEP7中打开工位的PLC程序，双击CU320模块：
Step2.双击Comissioning,会自动启动STARTER软件：
Step3.点击连线，将当前更换为在线模式：
Step4.当发现控制器与PC配置不一致时，需要点击上传到控制器按钮，使其一致：
连接的7、8号端子，作为参考电位，只有在连接参考电位的情况下，数字输入才可以工作。
X132数字量输入/输出
项目中，出于这个输入输出，并没有使用有意义的输入或输出信号，只是连接了7、8号电子电位，留作备用。
X124电源
此端子为CU320的电源端子，连接DC24V电源及参考电位。
X150P1/P2PROFINET接口
Step9.LOADTOPG.
接入24V电源。
LED含义
电机模块
电机模块是为已连接的电机提供能源的功率部件（反用换流器）。供电是通过驱动设备的
直流母线来进行的。电机模块必须通过DRIVE-CLiQ与控制单元连接在一起，后者中存
储有用于电机模块的控制和调节功能。
单电机模块上正好可以运行一台电机，而在双电机模块上能够连接并运行两台电机。
电源模块类型
ALM:ActiveLineModule调节型电源模块
BLM：BasicLineModule基本型电源模块
SLM：SmartLineModule非调节型电源模块
我们项目中使用SLM型电源模块，功率为5KW。
进线电抗器
进线电抗器可以将进线侧噪声控制在安全值内册
1.硬件
伺服系统的基本构成
如上图所示，一个基本的S120伺服系统由以下几部分组成：用于系统控制的中心控制单元，用于供电的电源块，用于驱动伺服电机的电机模块以及连接各个模块的DRIVE-CLIQ接口系统。
伺服电机的构成部件
伺服电机的构成部件一、概述伺服电机是一种通过传感器反馈控制电机转速和位置的特殊电机。
它由多个重要的构成部件组成，包括电机本体、电调驱动、速度传感器、位置传感器和控制器等。
在本文中，我们将深入探讨这些构成部件的作用和功能。
二、电机本体电机本体是伺服电机的核心部件，负责转换电能为机械能，驱动负载进行运动。
主要包括定子、转子、电枢和永磁体等组成部分。
2.1 定子定子是电机本体中固定部分，一般由硅钢片制成。
它的主要作用是产生磁场，用于与转子磁场相互作用，从而产生电磁力推动转子转动。
2.2 转子转子是电机本体中旋转部分，通常由铁芯和电枢构成。
它的主要作用是在定子磁场的作用下，受到电磁力的推动进行旋转。
2.3 电枢电枢是转子的重要组成部分，由大量绕组组成。
它的主要作用是产生磁场，在电流的作用下与定子磁场相互作用，从而产生电磁力推动转子转动。
2.4 永磁体永磁体是一种具有恒定磁场的磁体，一般用于作为伺服电机的转子磁场源。
它的主要作用是在电流的作用下与定子磁场相互作用，从而产生电磁力推动转子转动。
三、电调驱动电调驱动是控制伺服电机转速和位置的关键部件，它由功率变换器、电流调节器和逻辑控制器组成。
3.1 功率变换器功率变换器是将输入的电能转换为适合驱动伺服电机的电能的设备。
它通常由直流至交流转换器和逆变器组成。
3.2 电流调节器电流调节器是用于调节控制伺服电机的电流的装置，它根据控制信号控制伺服电机的转矩和速度。
3.3 逻辑控制器逻辑控制器是电调驱动的核心部分，负责接收来自控制器的指令，并将其转化为适合驱动伺服电机的信号。
逻辑控制器通常采用微处理器或者数字信号处理器等芯片实现。
四、速度传感器速度传感器是用于测量伺服电机转速的重要装置，它能够实时监测电机的转速，并将转速信息反馈给控制器，从而实现闭环控制。
4.1 光电编码器光电编码器是一种常用的速度传感器，它通过感受到光电信号的变化来测量转子的转速。
光电编码器通常由光遮断器和发光二极管等组成。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将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。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
伺服电机内部结构及其工作原理分解
伺服电机内部结构及其工作原理分解伺服电机是一种特殊的电机，其具有闭环控制系统，可以实现精准的位置、转速和力矩控制。
其内部结构由电机本体、编码器、控制器等组成，下面对伺服电机的内部结构和工作原理进行详细分解。
1.电机本体：伺服电机本体主要由转子和定子组成。
转子是可以旋转的部分，由一根铁芯（也叫转轴）和固定在铁芯上的绕组（也叫转子绕组）构成。
定子是不动的部分，由一根铁芯（也叫定轴）和固定在铁芯上的绕组（也叫定子绕组）构成。
电机本体是伺服电机的核心部分，它通过控制绕组的电流，可以产生力矩和转速。
2.编码器：编码器是伺服电机的重要辅助装置，用于测量和反馈电机的转动位置和速度。
编码器通常由光电开关和码盘组成。
光电开关通过感光器件检测光的变化，将旋转的编码盘上的刻度转换为电信号，从而反馈给控制器。
控制器可以根据编码器的信号实时调整电机的转动位置和速度，实现闭环控制。
3.控制器：控制器是伺服电机系统的核心部分，主要由驱动器、信号处理器和控制算法组成。
驱动器负责控制伺服电机的电流，将控制器的指令转化为驱动电机的信号。
信号处理器负责接收并处理来自编码器的反馈信号，计算电机当前的位置和速度，并与控制算法进行比较，生成控制信号。
控制算法根据设定值和反馈值之间的差异，调整控制信号以实现精确的控制。
伺服电机的工作原理如下：1.控制器接收到控制信号后，先经过信号处理器进行计算和处理，得到电机的当前位置和速度。
2.控制器将控制信号转化为驱动电机的电流信号，通过驱动器输出到电机绕组，产生电磁力矩。
3.电磁力矩作用下，电机开始转动。
同时，编码器感测电机的转动位置和速度，并将这些信息反馈给控制器。
4.控制器根据设定值和反馈值之间的差异，通过调整驱动电流信号的大小和方向，来控制电机的速度和位置。
5.控制器不断地接收编码器的反馈信号，并进行比较和调整，以实现伺服电机的闭环控制，使得电机的转动位置和速度精确控制在设定值范围内。
总之，伺服电机通过控制器对电机绕组的电流进行调整，结合编码器的反馈信号，可以实现精确的位置、转速和力矩控制。
机电伺服系统的构成
机电伺服系统的构成
机电伺服系统是由多个组件组成的控制系统，用于控制和实现机械设备的运动和位置
精准控制。
以下是机电伺服系统的常见构成：
1. 电动机：负责提供动力和转动机械设备的力量。
常见的电动机类型包括直流电机、交流电机和步进电机等。
2. 编码器：用于测量电动机转动的位置和速度信息，并将其反馈给控制器。
编码器
可以是增量式编码器或绝对式编码器。
3. 伺服放大器：接收控制器发送的信号，并将其放大等处理，然后驱动电动机执行
相应的动作。
4. 控制器：负责接收输入信号，如用户的指令和编码器反馈等，并计算出正确的控
制信号来驱动伺服放大器实现所需的位置和速度控制。
5. 传感器：用于监测机械设备的状态和环境信息，如压力传感器、温度传感器和力
传感器等。
这些传感器可以提供给控制器实时的反馈信息，以帮助控制系统做出合理的决策。
6. 电源：供应电动机和伺服控制系统所需的电能。
7. 通信接口：用于与其他系统或设备进行通信，如与上位机通信以进行参数设置和
数据传输。
机电伺服系统是一个包括电动机、编码器、伺服放大器、控制器、传感器、电源和通
信接口等多个组件的复杂系统，通过上述组件的协同工作，实现对机械设备的精准控制和
运动控制。
如何使用伺服系统进行自适应控制
如何使用伺服系统进行自适应控制自适应控制是实现机械设备自主控制的关键技术之一，伺服系统则是实现自适应控制的主要手段之一。
本文将介绍如何使用伺服系统进行自适应控制。
一、伺服系统的基本组成伺服系统由伺服电机、减速器、编码器和控制器组成。
伺服电机作为伺服系统的驱动源，能够产生较精确定位和较大扭矩输出。
减速器则能够将高速低扭矩的电机输出转化为低速大扭矩的输出，常用的减速器有行星减速器和蜗轮蜗杆减速器。
编码器是用于反馈伺服电机转动轴角度或线性位移位置的设备，可以提供高精度的位置反馈信息。
控制器则是伺服系统的“大脑”，负责接收编码器反馈信号并通过算法控制伺服电机的运动。
二、自适应控制的原理及应用场景自适应控制是一种控制方法，能够根据外界环境变化实时调整控制器参数，从而保证系统性能稳定。
在伺服系统中，自适应控制能够实现跟踪误差、速度误差和位置误差的实时校正，从而提高系统的稳定性和控制精度，常用于需要高精度定位的应用场景，如半导体制造设备、精密机床等领域。
三、实现自适应控制的方法1. 阻尼比自适应控制法：根据系统反馈信号的实际阻尼比值，即被控对象的阻尼比与滤波器建模阻尼比之间的差值，实时调整控制器参数。
通过反馈控制器调整控制器增益，从而提高系统的响应速度和跟踪精度。
2. 频率自适应控制法：通过伺服系统中的限幅器和积分器来抑制伺服电机速度波动，从而降低输出力矩的变化，并据此调整控制器参数。
该方法适用于对系统频率变化敏感的场景。
3. 模型参考自适应控制法：将伺服系统视为一种带有未知扰动和不确定参数的模型，通过模型参考自适应控制器实时修正控制器参数，以适应频繁变化的工作环境，并提高系统的鲁棒性。
该方法适用于复杂机械控制系统，如六自由度机械臂、气液增压系统等。
四、结论自适应控制是伺服系统应用的重要手段，能够实现高精度控制和快速响应。
给定相应的适当参数，自适应控制构成后能够在系统实时迭代与校正中保证系统的性能稳定性和控制精度，实现机械设备自主控制的目标。
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6. 伺服引导功能的使用
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6.1 伺服引导(SERVO GUIDE)软件的操作 6.2 伺服参数的优化调整
P 电
A
驱
B
流
W
动
C
指
D
令
M
E
F
ENBL
IR IS
三角波
绝缘放大器
TH
CN5 PG
A B C D E F
B R K
M
T1
3/4 AC10 R S T
.2 伺服放大器的基本结构
北京发那科机电有限公司
CPU
LSI 位置芯片
螺距误差补偿 （PRM1000-4000） 环增益 PRM（517）
DGN （800~803）
系系统统伺伺服服控控制制部部分分框框图图
CPU 板
DRAM
BOOT ROM 引导程序
CPU
G/A CPU 控制
1/2伺服轴卡 SV-RAM
SV-CPU
G/A DPS 控制
FSSBC控制
3/4伺服轴 SV-RAM
SV-CPU
FROM l系统软件
l伺服软件 l用户宏
SRAM l系统参数
l加工程序 l宏变量
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4. 伺服系统的功能
3.1 伺服系统的功能表 3.2 停止时的振动抑制功能 3.3 机械共振抑制功能 3.4 超调(过冲)抑制功能 3.5 形状误差抑制功能 3.6 高速定位功能
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5. 高速/高精度加工功能
6.1 加工误差的产生 3.2 传统系统的控制功能 3.3 现代系统的控制技术 3.4 几种控制的详细说明
1. 伺服系统的概要
1.1 伺服系统的概要 1.2 交流伺服电机的结构 1.2 位置反馈元件
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.1 伺服系统的概要
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+ 指 令
-
位 置 反 馈
CNC
位置误差 计数器
D/A 转换器
位置控制模块
位置环
速度控制单元
+
速
度 反
-
馈
速度 调节器
+
电流
调节器
电流环
速度控制单元
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通讯 LSI
电机 PC
.2 伺服放大器的基本结构
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3. FANUC伺服系统的基本知识
3.1 伺服系统的框图 3.2 伺服参数的初始设定 3.3 FSSB的设定 3.4 伺服参数的初始设定 3.5 加/减速功能
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FFAANNUUCC伺伺服服调调整整
北京发那科机电有限公司 技术部：侯 长合
伺服调整内容
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1. 伺服系统的概要 2. 伺服系统的硬件构成 3. FANUC伺服系统的基本知识 4. 伺服系统的功能 5. 高速高精度加工功能 6. 伺服引导功能的使用(Servo Guide)
.1 伺服系统的基本结构
北京发那科机电有限公司
CPU
LSI 位置芯片
螺距误差补偿 （PRM1000-4000） 环增益 PRM（517）
DGN （800~803）
插补器
CMR
ZPn
参考计数器
误差寄存器
D/A
-
DMR PCZ
DAL
方向鉴别
PCA,PCB,PCZ
断线检测 ALM 电路
PCA, PCB PCA，*PCB
驱动器
速度环
测量与 检测
速度检测
机床
位位置置控控制制系系统统的的结结构构图图
.1 伺服系统的概要
半闭环
全闭环
混合控制
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.2 伺服电机的构成
北京发那科机电有限公司
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
１０
１１
１２
１－ 电机轴 ２－前端盖 ３－三相绕组线圈 ４－压板 ５－定子 ６－磁钢 ７－后压板 ８－动力线插头 ９－后端盖 １０－反馈插头 １１－脉冲编码器 １２－电机后盖
插补器
CMR
ZPn
参考计数器
误差寄存器
D/A
-
DMR PCZ
DAL
方向鉴别
PCA,PCB,PCZ
断线检测 ALM 电路
PCA, PCB PCA，*PCB
ENBL （SVF x） PRDY VRDY
驱动 驱动 驱动
ENBL PRDY VRDY
CH1
CN1
Vcmd
CH2 TSA
CN1
F/V
CN6
CN6
误差 放大器
ER R相 运算
T相 运算
C1~C8 PCA，PCB
转子位置检测
断线 检测
ENBL
CN1
PRDY
ALM 检测
RLY1
MCC
CN1VRDYRLY2P 电A驱
B
流
W
动
C
指
D
令
M
E
F
ENBL
IR IS
三角波
绝缘放大器
TH
CN5 PG
A B C D E F
B R K
M
T1
3/4 AC10 R S T
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G/A 外设控制
FANUC i-B 系列系统
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伺伺服服放放大大器器的的框框图图
电
伺
源
服
模
模
块
块
RELY
PWM DRV
LSI lPWM回路
l信号控制 l报警检测 l动态制动 控制回路
PWM DRV
LSI lPWM回路 l信号控制 l报警检测 l动态制动 控制回路
ISO AMP
FSS B
ENBL （SVF x） PRDY VRDY
驱动 驱动 驱动
ENBL PRDY VRDY
CH1
CN1
Vcmd
CH2 TSA
CN1
F/V
CN6
CN6
误差 放大器
ER R相 运算
T相 运算
C1~C8 PCA，PCB
转子位置检测
断线 检测
ENBL
CN1
PRDY
ALM 检测
RLY1
MCC
CN1
VRDY
RLY2
.3 伺服反馈元件
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.3 伺服反馈元件
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RQ(NC-PC) SD(PC-NC)
位置信息 、速度信息、 转子位置 信息、报警信息 、校验信息等
.伺服系统的硬件构成
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2.1 FANUC 伺服系统的基本结构 2.2 伺服伺服放大器的构成 2.2 伺服放大器的发展过程和区别