3伺服电机及其驱动技术
伺服驱动技术
第三章伺服驱动技术第一节伺服驱动的概述伺服驱动技术是机电一体化的一种关键技术，在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。
随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。
近几年，国内的工业自动化领域呈现出飞速发展的态势，国外的先进技术迅速得到引入和普及化地推广，其中作为驱动方面的重要代表产品已被广大用户所接受，在机器革新中起到了至关重要的作用。
精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美地实现机器的高效自动化，这两方面也成为伺服发展的重要指标。
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。
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。
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。
通过这些功能算法的应用，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。
一、伺服驱动的概念“伺服”一词源于希腊语“奴隶”，英语“Servo”。
在伺服驱动方面，我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根据信号的大小、方向，即在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。
由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够以一定的准确度跟随输入信号量(或给定值)的任意变化的自动控制系统，用来自动、连续、精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统或自动跟踪系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
伺服电机的控制原理有哪些
伺服电机的控制原理有哪些伺服电机是一种能够实现精确控制和定位的电机。
它通常由电机、编码器、控制器和驱动器等组成。
伺服电机的控制原理涉及到控制理论和电机驱动技术等多方面知识。
下面将介绍几种常见的伺服电机控制原理。
1.位置控制原理：伺服电机的位置控制是指控制电机达到特定位置的能力。
在位置控制中，编码器用于检测电机的实际位置，并将其与目标位置进行比较。
控制器根据差异信息计算出控制信号，将其发送至驱动器，驱动器根据控制信号驱动电机转动，直到实际位置与目标位置相等。
2.速度控制原理：伺服电机的速度控制是指控制电机达到特定速度的能力。
在速度控制中，编码器用于检测电机的实际速度，并将其与目标速度进行比较。
控制器根据差异信息计算出控制信号，将其发送至驱动器，驱动器根据控制信号调整供电电压以调整电机的转速。
3.力/力矩控制原理：伺服电机的力/力矩控制是指控制电机施加特定力或力矩的能力。
在力/力矩控制中，需要将引导反馈的传感器与编码器配合使用。
控制器通过对比输入的期望力/力矩信号和传感器反馈的实际力/力矩信息，计算出控制信号，以调整电机的输出力或力矩。
4.增量式控制原理：5.PID控制原理：伺服电机的PID控制是指使用PID控制器对电机进行闭环控制。
PID 控制器通过比较目标值和反馈值的差异，计算出比例、积分和微分三个方面的控制信号，以调整电机的输出。
通过调整PID参数，可以实现快速响应、稳定性和抗干扰能力。
总结：伺服电机的控制原理涉及到位置、速度、力/力矩、增量式和PID控制等方面。
不同的应用场景和要求可能需要采用不同的控制原理。
通过合理选择编码器、控制器和驱动器等组件，并设置合适的控制参数，可以实现对伺服电机的精确控制。
压缩机用直线伺服电机及其驱动控制器设计
压缩机用直线伺服电机及其驱动控制器设计摘要：随着工业自动化水平的提高，直线伺服电机，作为一种高效、精确的驱动方式，直线伺服电机在压缩机等设备中的应用越来越广泛。
特别是在压缩机等高精度控制场合，直线伺服电机的性能直接影响着设备的运行效率和稳定性。
本文将重点探讨压缩机用直线伺服电机及其驱动控制器的设计，主要对压缩机用直线伺服电机的工作原理及特点、应用优势、直线伺服电机的设计、驱动控制器设计以及其在应用场景进行详细分析。
以及为相关领域的研究提供参考和借鉴。
关键词：直线伺服电机；压缩机；驱动控制器；设计1引言随着科技的进步，直线伺服电机在许多领域中都有着广泛的应用，特别是在需要高精度和高速度定位的场合。
在压缩机应用中，直线伺服电机的使用能够显著提高压缩效率，降低能耗，提高定位精度。
本文将详细介绍压缩机用直线伺服电机及其驱动控制器的设计。
2 直线伺服电机的工作原理及特点直线伺服电机的工作原理基于传统的旋转伺服电机，通过将旋转运动转换为直线运动，实现了高精度的直线定位。
伺服电机接收来自控制器的命令信号，并根据该信号产生磁场，从而使电机动子进行相应的线性运动。
其主要特点包括：高精度、高速度、高响应、低摩擦、低维护等[1]。
3直线伺服电机在压缩机中的应用优势直线伺服电机在压缩机中的应用优势主要包括以下几个方面：（1）高精度控制：直线伺服电机具有高精度的位置和速度控制能力，可以实现压缩机的精确控制，从而提高压缩机的运行效率和稳定性[2]。
（2）高速响应：直线伺服电机具有快速的响应能力，可以快速地调整压缩机的运行状态，适应不同的工况变化。
（3）降低噪音：由于直线伺服电机的高精度控制能力，可以减少压缩机在运行过程中的振动和噪音，提高压缩机的舒适性。
（4）节能环保：直线伺服电机具有高效的能量转换效率，可以降低压缩机的能耗，实现节能环保的效果。
（5）维护简便：直线伺服电机的设计简单，结构紧凑，易于维护和保养，可以降低压缩机的维护成本和时间。
伺服驱动技术
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式 表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够 恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统 达到新的稳定运行状态的能力。
响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系 统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、 运动系统的阻尼和质量等。
Ra CeC 2
T
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压）
（2）调磁调速（变励磁电流）
（3）改变电枢回路电阻调速
转向取决于电磁转矩 T 的方向，而 T 的方向 取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
Ua
M
If + Uf
+ Ia
Ua
M
－
－磁
场
Uf
反
If +
向
－
－
－
If +
360° zN
=
360° 40×3
= 3°
②采用三相六拍时： θ=
360° zN
=
360° 40×6
= 1.5°
3.步进电动机驱动电源
(1)作用 : 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组 顺序通电。
与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕 组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定 直流电压。
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
W1
国家重点推广的电机节能先进技术目录(第一批)
国家重点推广的电机节能先进技术目录（第一批）为推广应用先进实施电机节能技术，能效提升计划提供技术途径、为提升电机系统终端用能设备能效水平，落实工业绿色发展专项行动，为地方组织实施电机能效提升计划提供技术途径，经地方各地区工业和信息化主管部门推荐、专家评审及网上公示，工业和信息化部编制完成了《国家重点推广的电机节能先进技术目录（第一批）》，现予以公告。
请各地区、有关企业加强组织推广。
1、伺服电机永磁高效节能技术采用短时过载能力强的电源和大功率驱动器件，融入电机参数自动辨识、自动调整的自适应控制技术，保证系统高加速性能的同时，运行智能可靠。
采用谐波抑制技术、能量回馈技术以及功率校正技术，实现电机系统应用的高效率和智能控制。
适用于功率范围0.75kW～300kW高压或低压的电机系统节能改造，可应用于注塑机的液压动力系统拖动部分、数控机床、纺织机械、包装和印刷机械等设备。
应用案例：东莞、武汉、柳州等地2000多台注塑机电机系统节能改造，运行稳定，综合节电率达到40%～80%，注塑机生产效率提升10%，生产成本降低8%。
2、伺服电机及其驱动控制技术采用MCU（微控制芯片）+PID（比例、积分、微分控制芯片）双核结构及自主研发的传感器，实现智能快速剪线、拨线、抬压脚和高速倒回缝，可匹配18个系列产品，通用性强。
相对传统的电机系统及控制技术，主要解决了快速定位、智能操作的问题。
相比传统的摩擦片式异步电动机（离合器电机）、涡流式异步电动机（电子马达）、混合步进式电动机（变频电机），能耗降低70%，效率提高30%。
适用于功率范围0.55kW～1kW低压电机系统节能改造。
可应用于缝制和纺织系统JUKL8100B-7、ZJ9703、JACK2等设备改造。
应用案例：中捷股份有限公司10万套总功率55000千瓦伺服电机及其控制系统改造，综合节电率达70%，生产效率提高30%。
3、稀土永磁伺服电机高动态响应控制技术采用高动态响应稀土永磁伺服电机电磁及结构场路优化设计、高功率密度、小惯量电机制造技术，使电机加减速电流及损耗下降50%，成本降低50%。
伺服控制技术自学手册
伺服控制技术自学手册
《伺服控制技术自学手册》是一本全面介绍伺服控制技术的书籍。
它涵盖了伺服电机及其驱动的基本概念、结构特点、测试/实验方法、选型技术等内容。
以下是该手册的部分内容概述：
1. 伺服电机及其驱动的基本概念：介绍了伺服系统的定义、组成和工作原理，以及伺服电机的种类和特点。
2. 伺服电机的结构特点：详细介绍了永磁同步电机、异步电机、直接驱动电机等不同类型的伺服电机的结构和工作原理。
3. 伺服电机的测试与实验：提供了伺服电机的性能测试、动态特性实验和温度特性实验等方面的指导。
4. 伺服电机的选型技术：根据实际应用需求，介绍了如何选择合适的伺服电机及其驱动器。
5. 位置测量系统的基本原理：阐述了位置测量系统在伺服控制系统中的重要性，以及常用位置测量方法的原理和应用。
6. 伺服控制技术的应用特点：结合实际案例，介绍了伺服控制技术在机械加工、机器人、包装机械等领域的应用特点和优势。
7. 基于PLC的PROFIBUS-DP控制技术的系统组态编程：对于使用PLC进行伺服控制的读者，提供了基于PROFIBUS-DP控制技术的系统组态编程方法和实例。
此外，手册还涉及伺服控制系统的变流装置、逆变电路、PID调节器等核心组件，以及伺服驱动器的电磁兼容性（EMC）和环境测试等方面的知识。
总之，《伺服控制技术自学手册》是一本全面介绍伺服控制技术的书籍，适合自动化、机械电子等相关专业的读者学习使用，也可作为伺服控制系统研发和应用工程师的参考手册。
伺服驱动器的工作原理及其控制方式
伺服驱动器的工作原理及其控制方式伺服驱动器（servo drives）又称为伺服控制器、伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
功率驱动单元首先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。
经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。
整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。
伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。
尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。
当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。
该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。
一般伺服都有三种控制方式：位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
伺服电机组成及结构(3篇)
第1篇一、伺服电机的组成1. 定子定子是伺服电机的核心部件，其主要功能是产生磁场。
定子通常由硅钢片叠压而成，形成一定厚度的铁芯。
在铁芯上，绕制线圈，形成线圈组。
线圈组通常采用三相交流绕组，也有两相或单相绕组。
定子通过接入电源，产生旋转磁场，从而驱动转子旋转。
2. 转子转子是伺服电机的另一个核心部件，其主要功能是产生转矩。
转子通常由永久磁铁或电磁铁组成。
永久磁铁转子具有结构简单、性能稳定、响应速度快等优点，但体积较大。
电磁铁转子通过在转子铁芯上绕制线圈，实现转矩的产生。
电磁铁转子具有体积小、重量轻、响应速度快等优点，但需要外部电源供电。
3. 控制器控制器是伺服电机的控制中心，其主要功能是接收控制信号，对伺服电机进行控制。
控制器通常由微处理器、模拟电路和数字电路组成。
微处理器负责处理控制算法，模拟电路负责放大和转换信号，数字电路负责处理数字信号。
4. 传感器传感器是伺服电机的反馈元件，其主要功能是检测伺服电机的运动状态。
传感器通常有编码器、速度传感器和力传感器等。
编码器用于检测转子位置和转速，速度传感器用于检测转子转速，力传感器用于检测伺服电机输出的力。
5. 传动机构传动机构是伺服电机与执行机构之间的连接部分，其主要功能是将伺服电机的旋转运动转换为执行机构的直线运动或旋转运动。
传动机构通常有齿轮、皮带、丝杠等。
二、伺服电机的结构1. 定子结构定子结构通常分为两种：槽式定子和绕线式定子。
（1）槽式定子：槽式定子由硅钢片叠压而成，形成一定厚度的铁芯。
在铁芯上，开有槽，槽内绕制线圈组。
槽式定子具有结构简单、成本低、性能稳定等优点。
（2）绕线式定子：绕线式定子与槽式定子类似，但绕线方式不同。
绕线式定子采用绕线式绕组，线圈直接绕在铁芯上。
绕线式定子具有结构紧凑、散热性好等优点。
2. 转子结构转子结构通常分为两种：永久磁铁转子和电磁铁转子。
（1）永久磁铁转子：永久磁铁转子由永磁材料制成，具有结构简单、性能稳定、响应速度快等优点。
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永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电机
本质上，无刷直流电机是根据转子位置反 馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步 电机，与有刷直流电机相比具有一系列优 势，近年得到了迅速发展，在许多领域的 竞争中不断取代直流有刷电机和异步电动 机。
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运动控制系统
哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师：许家忠
交流伺服系统
电机的种类及控制方法
2005/1/1
直流有 刷电机
控制 电路
功率驱 动
M
直流无刷电机 （带霍尔位置 传感器）
控制 电路
功率驱
动
M
Position signal/位置信号
直流无刷电机 （无位置传感 器）
控制 电路
功率驱 动
M
.
Position signal/位置信号
按照反电动势波形和驱动电流的波形，可以将永 磁同步电机分为方波驱动和正弦波驱动型。
前者就是我们常说的无刷直流电机，后者又称为 永磁同步交流伺服电机。
主要用于伺服控制的场合。
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5
永磁交流伺服电机
在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交 流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机 （IM）。
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三、驱动部分
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三、驱动部分
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三、驱动部分
a b
c
Y形连接
2005/1/1
a b
c
形连接
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三、驱动部分
A+
VDC
B+
C+
A-
B-
C-
A
B’
C’
N
S
C
B
A’
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四.转子位置传感器
转子位置检测电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化
系统，它是通过转子磁极位置信号作为电 子开关线路的换相信号，因此，准确检测 转子位置，并根据转子位置及时对功率器 件进行切换，是无刷直流电动机正常运行 的关键。
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四.转子位置传感器
用位置传感器来作为转子的位置检测装置 是最直接有效的方法。一般将位置传感器 安装于转子的轴上，实现转子位置的实时 检测。
永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实 现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效 率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。
异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低 廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大
功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁 同步交流伺服系统上。
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10
永磁无刷直流电机
直流有刷电机
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直流无刷电机
11
永磁直流无刷伺服电机
Permanent Magnet Brushless DC Motors
一、问题的提出
直流电动机虽然具有优良的调速和起 动特性，但由于存在电刷和换向器，需要 经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰， 限制了它的应用范围。
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三、驱动部分
驱动电路：驱动电路输出电功率，
驱动电动机的电枢绕组，并受控于控
制电路。驱动电路由大功率开关器件
组成。正是由于晶闸管的出现，直流
电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。
但由于晶闸管是只具备控制接通，而
无自关断能力的半控性开关器件，其
开关频率较低，不能满足无刷直流电
动机性能的进一步提高。
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工作原理Biblioteka 22.12.2020h
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工作原理
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控制方法
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有刷控制器系统框图
霍尔转把 调速把手
PWM生成 /调制电路
预驱动电路
2E72G A
2E72G SSAC
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功率输出电路
直流有刷电机
最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又 复杂，已被淘汰。
目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于 无刷直流电动机中，另外还有光电式的位 置传感器。
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四、转子位置传感器
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四、转子位置传感器
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工作原理
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工作原理
6
交流伺服的行业应用
现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域， 比如火炮、雷达控制。
逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包 括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机 械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设 备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流 水线、各种专用设备等。
其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、 纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计 超过75％。
M
2E72G SSAC
电池组
供电电 路
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电流采样
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调速的基本原理2
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三、驱动部分
随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控 型的功率开关器件，其中有可关断晶体管 （GTO）、电力场效应晶体管 （MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近 年新开发的电子注入增强栅晶体管 （IEGT）。随着这些功率器件性能的不断 提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得 了飞速发展。
近年发展起来的无刷直流电动机就是为 了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起 来的新型直流电动机。
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二、无刷直流电动机的工作原理
磁极静止，电枢旋转 直流有刷电机
根据左手定则，线圈在电磁转矩 作用下将按逆时针方向旋转 当载流导体转过180度后，借助电刷-换向
片改变导体中电流方向
多极
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二、无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机原理
电枢静止，磁极旋
转，且磁极为永久磁
铁。
电枢绕组中电流
的换向是借助于转子
位置传感器和电子开
关线路来实现的。
所以，无刷直流电机
一般都是由电动机、位
置传感器和电子开关线
路三部分组成。
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二、无刷直流电动机的工作原理
交流电机
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控制 电路
功率驱 动
M
No position signal feedback/无位置信号反 馈
h
方波 方波 正弦波
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伺服电机种类
直流有刷电机
直流无刷电机
交流伺服电机
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4
交流伺服电机
永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机都属于交 流永磁同步电机。