《伺服電機知識培訓》PPT課件

1、 一一. .伺服電機基本知識伺服電機基本知識 伺服來自英文單詞伺服來自英文單詞ServoServo，指系統(tǒng)跟隨外部指令，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。矩。 最常見的伺服是交流永磁同步伺服電機，最常見的伺服是交流永磁同步伺服電機， 伺服伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/WU/V/W三相電三相電在定子中形成變化的電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)在定子中形成變化的電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器動，同時電機自帶的編碼器反

2、饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。最常見伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。最常見的是的是25002500線標準編碼器配置的伺服電機。線標準編碼器配置的伺服電機。 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。兩大類。 在交流伺服系統(tǒng)

3、中，電動機的類型有永磁同步交流在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機伺服電機(PMSM)(PMSM)和感應異步交流伺服電機和感應異步交流伺服電機(IM)(IM)，其中，其中，永永 磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。 交流伺服系統(tǒng)的性能指標可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性等方面來衡量。中低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1:1000以上，一般的在1:50001:10000，高性能的可

4、以達到1:100000以上；定位精度一般都要達到1個脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度比如給定1rpm時，一般的在0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達到0.01rpm以內(nèi)；動態(tài)響應方面，通常衡量的指標是系統(tǒng)最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90或者幅值不小于50。應用在特定要求高的一些場合，如伺服電機MRJ3系列的響應頻率可達900Hz，目前國內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200500Hz。運行穩(wěn)定性方面，主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負載波動、電機參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊運行條件下，維持穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標的能力。一套典型的伺服

5、系統(tǒng)構成: 上位機伺服驅(qū)動器伺服電機(單片機PLC各種控制器) 伺服電機編碼器伺服驅(qū)動器上位機 交流伺服電機與普通電機的區(qū)別：交流伺服電機與普通電機的區(qū)別：1 1、根據(jù)電機的不同應用領域，電機的種類很多。交流伺服電、根據(jù)電機的不同應用領域，電機的種類很多。交流伺服電 機屬于控制類電機，這一點不等同普通電機。根據(jù)電機基本機屬于控制類電機，這一點不等同普通電機。根據(jù)電機基本原理，伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。伺服電機的原理，伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，伺服電機帶編碼器反饋閉環(huán)控制，構造與普通電機是有區(qū)別的，伺服電機帶編碼器反饋閉環(huán)控制，能滿足快

6、速響應和準確定位，而普通電機構造相對簡單，沒有能滿足快速響應和準確定位，而普通電機構造相對簡單，沒有編碼器反饋?，F(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交編碼器反饋?，F(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾千流伺服，這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾千瓦以上的同步伺服電機價格很貴，在大功率的現(xiàn)場應用，多采瓦以上的同步伺服電機價格很貴，在大功率的現(xiàn)場應用，多采用異步伺服電機用異步伺服電機+ +變頻驅(qū)動。變頻驅(qū)動。2 2、電機的材料、結構和加工工藝，交流伺服電機要遠遠高于變、電機的材料、結構和加工工藝，交流伺服電機要遠遠高于變頻器驅(qū)動

7、的普通交流電機（一般交流電機或各類變頻電機）。頻器驅(qū)動的普通交流電機（一般交流電機或各類變頻電機）。就是說當伺服驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快時，伺服就是說當伺服驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快時，伺服電機能產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于電機能產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機。當然不是說變頻器輸出不了變化那么變頻器驅(qū)動的交流電機。當然不是說變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻器的內(nèi)快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻器的內(nèi)部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。部算法設定時為了保護電機

8、做了相應的過載設定。3 3、交流電機一般分為同步和異步電機：、交流電機一般分為同步和異步電機：（1 1）、交流同步電機：就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構成，所以轉(zhuǎn)動）、交流同步電機：就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構成，所以轉(zhuǎn)動后，隨著電機的定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，轉(zhuǎn)子也做響應頻率的速后，隨著電機的定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，轉(zhuǎn)子也做響應頻率的速 度變化，而且轉(zhuǎn)子速度等于定子速度，所以稱“同步”。（2）、交流異步電機：轉(zhuǎn)子由感應線圈和材料構成。轉(zhuǎn)動后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場切割定子的感應線圈，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應電流，進而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場變化永遠小于定子的變化，一旦等于就沒有變化的磁場

9、切割轉(zhuǎn)子的感應線圈，轉(zhuǎn)子線圈中也就沒有了感應電流，轉(zhuǎn)子磁場消失，轉(zhuǎn)子失速又與定子產(chǎn)生速度差又重新獲得感應電流。所以在交流異步電機里有個關鍵的參數(shù)是轉(zhuǎn)差率就是轉(zhuǎn)子與定子的速度差的比率。 （3）、對應交流同步和異步電機，變頻器就有相應的同步變頻器和異步變頻器，伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服。當然變頻器里交流異步變頻常見，伺服則交流同步伺服常見。4、交流伺服電機與普通電機還有很多區(qū)別，可以參考一下電機學方面的書籍；普通電機通常功率很大，尤其是啟動電流很大，伺服驅(qū)動器的電流容量不能滿足要求。可從電機的尺寸就知道原因了。 二二. . 伺服電機發(fā)展史伺服電機發(fā)展史 從技術發(fā)展上看從技術發(fā)展上看 第

10、一個發(fā)展階段（第一個發(fā)展階段（2020世紀世紀6060年代以前），此階段是以步進電動機年代以前），此階段是以步進電動機驅(qū)動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅(qū)動為中心的時代，伺服驅(qū)動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅(qū)動為中心的時代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。 第二個發(fā)展階段（第二個發(fā)展階段（2020世紀世紀60607070年代），這一階段是直流伺服電年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發(fā)展的時代，由于直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，動機的誕生和全盛發(fā)展的時代，由于直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電動機，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開

11、環(huán)很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電動機，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機床的應用領域，永磁式直流電動機占系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機床的應用領域，永磁式直流電動機占統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。 第三個發(fā)展階段（第三個發(fā)展階段（2020世紀世紀8080年代至今），這一階段是以機電一體年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機（方波驅(qū)動），交流伺服電動機破性

12、進展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機（方波驅(qū)動），交流伺服電動機（正弦波驅(qū)動）等種種新型電動機。（正弦波驅(qū)動）等種種新型電動機。 進入進入2020世紀世紀8080年代后，因為微電子技術的快速發(fā)展，電路的集成年代后，因為微電子技術的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方度越來越高，對伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。件伺服將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。 伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制

13、中也在由硬件方式向著軟伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進而向接近件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進而向接近電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。 目前，伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點： （1） 能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點。 （2） 可顯著改善控制的可靠性

14、。集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長于分立元件電子電路。 （3） 數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。 （4） 硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。 （5） 采用微處理機的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統(tǒng)機聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù)。 （6） 可以設計適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統(tǒng)變化時徹底更新。 （7）

15、提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。 （8） 隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復雜的控制策略有了實現(xiàn)的基礎。 從國內(nèi)形勢上看 我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應用方向，不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進入工業(yè)領域，直到2000年，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態(tài)，技術水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，

16、國內(nèi)幾家公司相繼推出自己品牌. 1。技術狀況 （1）. 當前國內(nèi)外交流伺服產(chǎn)品的水平 交流伺服系統(tǒng)的相關技術，一直隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。電動機、驅(qū)動、傳感和控制技術等關聯(lián)技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉(zhuǎn)子電機等，驅(qū)動器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術，控制技術從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實用化等等。從2005年11月在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界范圍內(nèi)電氣驅(qū)動、運動控制和相關軟

17、件的最新情況，其中交流伺服產(chǎn)品的亮點很多，代表了當前的國際水平。 2。 技術發(fā)展方向 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出的伺服控制專用引擎)也不足為奇。 國際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每22.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短?？偨Y國內(nèi)外伺服廠家的技術路線和產(chǎn)品路線，結合市場需求的變化，可以看到一些最新發(fā)展趨勢： 高效率化，直接驅(qū)動，高速、高精、高性能化，一體化和集成化，通用化，智能化，網(wǎng)絡化和模塊

18、化，從故障診斷到預測性維護，專用化和多樣化，小型化和大型化；其他動向如：發(fā)熱抑制、靜音化、清潔技術等。 2。市場狀況 （1）. 歐美和國內(nèi)市場規(guī)模以及基本走勢 根據(jù)ARC 2001年的報告，當年全球伺服驅(qū)動的市場規(guī)模是20.67億美元，01年到06年的復合增長率在7以上，預計全球伺服系統(tǒng)的市場規(guī)模在2006年會達到29億美金左右(這個預測包括了交流伺服和步進電機)?，F(xiàn)在回過頭來看，恐怕已經(jīng)不止這個數(shù)據(jù)，這中間經(jīng)歷了911等因素造成的02、03年的市場衰退和04年之后的恢復性增長。預計未來幾年增長率會有所提高。 國內(nèi)交流伺服的市場規(guī)模2006年估計在20億人民幣左右，市場規(guī)模近3年一直保持了大于

19、25的年復合增長率，在所有自動化產(chǎn)品中當屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國轉(zhuǎn)移，國產(chǎn)數(shù)控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)的性價比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場會繼續(xù)保持快速增長的勢頭，預計從2007到2010年復合增長率在20以上。但是平均單價也將隨著競爭加劇不斷下降，每年大約下降10。 大陸伺服產(chǎn)品的用戶區(qū)域主要分布在華東、華南和華北，其中華東市場(上海、江浙和山東)占45，以廣東為主的華南和以京津為主的華北各為15左右。華中和東北大約是10。華東市場是伺服最大的消費市場，而且這個趨勢會持續(xù)下去。伺服驅(qū)動廠商面臨用戶和OEM廠家不斷變化的需求的挑戰(zhàn)，

20、伺服驅(qū)動器的上位機可以是CNC系統(tǒng)、通用運動控制器和PLC，還有各種嵌入式控制器，他們必須不斷推出多樣化的產(chǎn)品，滿足所有運動控制領域的要求。從功率范圍上，當前100W2000W是主流，大約占整個伺服市場的70，而10kW以下的品種占到90。在轉(zhuǎn)速范圍上，大約60的用戶需要3000rpm以內(nèi)的電機，另外30需要30006000轉(zhuǎn)，不到10的人需要10000rpm或以上轉(zhuǎn)速的電機。 分析當前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價格和服務。這也說明目前國內(nèi)交流伺服市場還處在較低級的階段，對性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠來看，伺服廠商的關鍵成功因素應該是產(chǎn)品的性價比、可靠性、技術

21、含量、以及市場份額和品牌影響力。 （2）. 國內(nèi)市場品牌競爭狀況 國內(nèi)交流伺服市場當前品牌競爭情況和10多年前的變頻器市場非常類似。當時進口(主要是日本富士和三肯)產(chǎn)品占據(jù)了90以上的市場份額，經(jīng)過10年的奮斗，國產(chǎn)變頻器已經(jīng)占據(jù)了中低端市場，在整個市場份額上與進口產(chǎn)品二分天下，并涌現(xiàn)了利德華福、森蘭等一批有實力、也有技術的廠商，其中利德華福在大功率變頻器細分市場上取得絕對的領先優(yōu)勢。 最近2、3年來自臺灣的伺服廠商在國內(nèi)設廠，并加大了市場推廣的力度，主要是臺達和東元，其技術水平和價格水平都居于進口中端產(chǎn)品和國產(chǎn)品牌之間，在競爭中主要突出性價比優(yōu)勢，對國產(chǎn)品牌帶來了新的競爭壓力，市場占有率提高

22、到大約5-10%。 中國國內(nèi)的品牌主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、蘭電、珠海運控等，近期又出現(xiàn)了南京埃斯頓、無錫百科、上海鄂爾多斯、深圳眾為興等品牌，粗略計算，宣稱推出交流伺服產(chǎn)品的國產(chǎn)廠家不下20個。國產(chǎn)品牌產(chǎn)品功率范圍多在5kW以內(nèi)，技術路線上與日系產(chǎn)品接近，目前總市場占有率在10左右。 展望未來，隨著伺服價格的不斷下降、交流伺服的市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為；同時臺灣、日本廠商也將在整個市場的擴大中獲益，歐美品牌的市場占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。 3。交流伺服的行業(yè)應用 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業(yè)領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設備、半導體設備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、紡織、食品包裝、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過75