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)。
伺服电机驱动方案
伺服电机驱动方案伺服电机是一种通过反馈信号控制运动位置和速度的电动机。
它广泛应用于工业自动化领域，包括机械加工、机器人技术、电子设备等。
本文将介绍一种常见的伺服电机驱动方案。
一、伺服电机的基本原理伺服电机由电机本体、传感器（通常是编码器）和驱动器组成。
电机本体负责转动，传感器反馈电机的位置和速度信息，而驱动器根据反馈信号控制电机的运动。
二、伺服电机驱动方案1. 电机选择伺服电机的选择要根据具体应用需求来确定。
需要考虑的因素包括输出功率、转速范围、扭矩要求、尺寸等。
在选择时，还需考虑电机与其他设备的匹配性和可靠性。
2. 驱动器选择伺服电机的驱动器主要负责接收传感器反馈信号，并产生控制信号驱动电机转动。
驱动器的选型要考虑电机的额定电压、控制方式（模拟控制或数字控制）、通信接口等。
现在，数字驱动器在工业自动化领域得到广泛应用，因为它们具有精确控制、稳定性强的优点。
3. 反馈系统在伺服电机系统中，准确的位置和速度反馈对于控制电机运动至关重要。
常用的反馈设备包括编码器、霍尔传感器和光电传感器。
编码器是最常见的选择，它能提供高分辨率和精确的反馈信息。
4. 控制算法伺服电机的控制算法主要包括位置控制、速度控制和扭矩控制。
位置控制是最基本的控制模式，通过将位置误差信号输入控制算法，驱动器将电机转动到目标位置。
速度控制则通过控制电机的转速来实现。
扭矩控制可用于需要对负载施加特定扭矩的应用。
5. 保护机制伺服电机驱动方案还需要考虑保护机制，以避免电机过载、过热等问题。
常见的保护措施包括过流保护、过热保护和过载保护。
三、伺服电机驱动方案的应用伺服电机驱动方案广泛应用于各种领域，例如：1. 机床行业：伺服电机驱动方案在数控机床中得到广泛应用，确保机床加工精度和工作稳定性。
2. 机器人技术：伺服电机作为机器人关节驱动器，可以实现复杂的动作和精确定位。
3. 包装行业：伺服电机驱动方案在包装机械中发挥重要作用，实现高速度、高精度的物料输送和定位。
伺服电机控制技术课件
参数设置
根据实际需求，对伺服驱动器的 参数进行设置，包括速度环、位 置环、电流环等参数的调整。
调试步骤
按照一定的步骤进行伺服驱动器 的调试，包括电机参数的识别、 控制器参数的调整等。
使用注意事项
在使用过程中，注意保持伺服驱 动器的良好散热、定期检查电缆 和连接器的完好性等，以确保其 正常运行和延长使用寿命。
伺服电机驱动器的接口与连接
01
02
03
数字接口
如EtherCAT、Profinet等 ，可以实现高速、高精度 的数据传输和控制。
模拟接口
如电压、电流模拟输入输 出，适用于简单的速度和 位置控制。
连接方式
根据不同的接口类型，采 用相应的电缆和连接器进 行连接，确保信号传输的 稳定性和可靠性。
伺服电机驱动器的调试与使用
伺服电机控制技术 课件
目录
• 伺服电机概述 • 伺服电机控制系统 • 伺服电机驱动技术 • 伺服电机控制算法 • 伺服电机应用案例
01
CATALOGUE
伺服电机概述
伺服电机的定义与工作原理
伺服电机是指一种能够将输入的电信 号转换为机械运动的装置，其工作原 理基于电磁感应定律和磁场对电流的 作用力。
通常以毫米或微米为统对输入信号的响应速度，通 常以毫秒或微秒为单位。
转矩控制精度
转矩控制精度是指伺服电机控 制系统能够实现的最小转矩调 节步长，通常以牛米或毫牛米 为单位。
抗干扰能力
抗干扰能力是指伺服电机控制 系统在存在外部干扰的情况下
仍能保持稳定运行的能力。
伺服电机具有响应速度快、控制精度 高、稳定性好等优点，广泛应用于各 种需要精确控制机械运动的场合。
当电流通过伺服电机内部的线圈时， 会产生磁场，该磁场与转子相互作用 ，产生转矩，从而使转子转动。
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。
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
驱动伺服电机的电路设计
驱动伺服电机的电路设计伺服电机是一种精密的电动执行器，通常用于需要高精度位置控制的应用中，如工业机器人、数控机床、航空航天设备等。
为了实现对伺服电机的精确控制，需要设计一个高性能的电路来驱动它。
在伺服电机的电路设计中，最常用的驱动方式是采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
PWM技术通过控制电路输出的脉冲宽度来调节电机的转速和位置，从而实现对电机的精确控制。
一般来说，伺服电机的驱动电路包括功率放大器、滤波电路、反馈电路和控制电路等部分。
首先，功率放大器是伺服电机驱动电路的核心部分，它负责将控制信号转换为电机驱动信号，通常采用功率晶体管或功率MOSFET等器件来实现。
这些器件需要具有高速开关能力和较大的电流承受能力，以确保电机能够快速响应并具有足够的输出功率。
其次，滤波电路用于平滑输出信号，并去除电路中的高频噪声，以保证电机运行时的稳定性和精度。
另外，反馈电路是伺服电机驱动电路中至关重要的一部分，它负责接收电机位置和速度的反馈信号，并将其与控制信号进行比较，从而实现闭环控制。
常用的反馈传感器包括编码器、霍尔传感器等，通过这些传感器可以实时监测电机的运行状态，并及时调整控制信号，以实现对电机的精确控制。
最后，控制电路通常采用微控制器或数字信号处理器（DSP）来实现，它负责生成PWM信号，并根据反馈信号调整输出信号的占空比，以实现对电机的精确控制。
总的来说，驱动伺服电机的电路设计需要综合考虑功率放大器、滤波电路、反馈电路和控制电路等多个方面的因素，以确保电机能够稳定、精确地运行。
随着电子技术的不断发展，新型的驱动电路设计方案也在不断涌现，为伺服电机的应用带来了更多的可能性。
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%。
一川电机 伺服电机驱动器 技术手册
2.1.2 380V 伺服驱动器接线图 ...................................................................................................- 9 -
2.1.3 接线说明 ..........................................................................................................................- 10 -
1.7 伺服单元与电机型号适配 ................................................................................. - 5 -
第 2 章接线 .......................................................................................................- 8 -
2.2 CN1 通信接口 .................................................................................................. - 12 -
2.3 CN2 控制接口 .................................................................................................. - 13 -
2.5.1 位置控制接线图(标准版) ................................................................................................- 19 -
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、电机统一理论
伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构 成。
永磁体产生磁场，而铁芯线圈通电后也会产生 磁场。
定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩，使电 机带动负载运动，从而通过磁的形式将电能转 换为机械能。
组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成； 换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片
上，电流通过电刷及换向片引入到绕组中。
2. 工作原理
N
dFr
Fs
S
定子磁极
电流流进 转子铁芯 电流流出
dT
2
r s
dT dFr Fs sin( r s)
式中 Fs, Fr ——定、转子磁势的幅值； θs-θr ——定、转子磁势之间的夹角。 要想增大力矩，必须增大定、转子磁势。 当定子磁势与转子磁势相互垂直时，产生的转矩最大。 电机统一理论是所有电机工作的基础。
2．电机的基本运动方程
Fr
电枢有5个线圈，每个线圈 产生的磁势矢量相加得到 合成磁势。
合成磁势的方向依然随转 子旋转而改变。
这仅使电机力矩更大一 些，力矩的大小及方向改 变的问题依然存在。
假如我们在转子旋转时，
能通过电流换向，始终保
证电枢几何中性面以上的
T
J
d &
dt
T
f
负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服 电机尺寸是很重要的。
如果要求负载以高加速度运动或负载的转 动惯量较大，即使负载转矩很小，也可能 需要大转矩的电机；
反之，如果负载要求的加速度很小或负载 的转动惯量较小，即使负载转矩很大，也 可能小转矩的电机就能满足要求。
转矩的方向将使转子逆时针旋转。当转子旋转以后，夹角的变化将使转 矩的大小及方向都发必须维持dFr的方向不变；使 r 保s 持
不变。 而且如果能使
r s
2
即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
T
J
d &
dt
T
f
式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； Tf—负载转矩，单位为[Nm]； J—电机转子及负载的转动惯量，单位为[Kgm∧2]； Θ—电机位置，单位为[rad]
电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。 在负载一定条件下，只有改变电机转矩才能改变电机转速。
当电机转矩大于负载转矩时，电机产生加速运动； 当电机转矩小于负载转矩时，电机产生减速运动； 当电机转矩等于负载转矩时，电机恒速运动。 电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素
轨迹跟踪系统 电机也必须有四象限运行能力
四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一 个重要标志。
它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和 转速。
对伺服电机的基本要求
力矩和速度的可控性 快速响应能力 宽调速范围 较高的过载能力 具有频繁起、制动的能力
伺服电机及其驱动技术
3.1 一般规律 3.2 直流永磁伺服电机及其驱动技术 3.3 交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 3.4 直流无刷伺服电机及其驱动技术 3.5 两相混合式步进电机及其驱动技术
3.1 一般规律
3.2 永磁直流伺服电机及其 驱动技术
1、永磁直流伺服电机的结构 2、永磁直流伺服电机的工作原理 3、永磁直流伺服电机的特性 4、功率放大器 5、电流回路和速度回路
1、结构
由定子磁极、转子电枢和换向机构组成； 定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构； 转子的结构有多种形式，最常见的是在有槽铁心内铺设绕
3. 伺服电机的四象限运行
Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
TJ ddt&Tf
Ta J&&
Tc Tf
伺服系统常要求伺服电机即能正向运动，又能反 向运动；即能加速运动又能减速运动。这就要求 电机力矩的大小及方向都能改变。
在同样铁芯下，线圈匝数越多，通过线圈的电流越 大，产生的磁通势越大。磁势的方向与线圈中的电流 成右螺旋关系。
磁势是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。
电机统一理论指出：电机产生的转矩为
vv v TFs Fr
T FsFrsin(s r)
T ,
T ,
Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
T ,
T ,
电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，力矩和速度的
方向一致，电机产生驱动转矩“推”动电机旋转，这种状态 称为电动状态； 当电机做正向或反向的减速运动时，力矩和速度的方向相 反，电机产生制动转矩；“拉”动电机停止，这种状态称为 制动状态。
全部绕组端子为电流流
进，下面的绕组端子为电
Fs
流流出，就能保证转子合 成磁势的方向不变，且与
永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着磁通势。 永磁体的磁通势是常量，大小由体积和材料导磁性能
决定，方向是由N极指向S极。 而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式：
Fm=IW[安匝]
式中Fm—磁通势，或简称磁势； I—线圈中流过的电流； W—线圈匝数，或绕组匝数。