伺服控制系统与电机、变频器的工作原理与结构、选型

分类：技术中心 2330人浏览 2017-04-13

伺服控制系统是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、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）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

一、交流伺服电机的工作原理

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的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）。

二、伺服系统的组成及分类

1．伺服系统的组成：

伺服系统是以位置和角度为控制量的控制系统的总称，与位置和角度相关联的速度、角速度、加速度、力等为控制量的系统也包含在伺服系统内

2．伺服系统的分类：

（1）按控制结构分类分为：开环式、闭环式。

（2）按驱动部件分类分为：

a．步进电动机伺服系统。

b．直流电动机伺服系统。

c．交流电动机伺服系统。

三．伺服马达（交流）的特点

1）定位精度高，普通伺服馬达可达到0．036度

2）回应时间快。

3）控制方便灵活，控制系統易于实现。

4）型号较多，可根据不同的应用环境选择不同的类型。

5）提供全闭环控制，可适时监控运行狀況，进行适当的调整变换

四．伺服系统结构

伺服系统构成

伺服系统结构

五．伺服控制的选型步骤

1．确定机械规格，负载、刚性等参数。

2．确认动作参数，移动速度、行程、加减速时间、周期、精度等。

3．选择马达惯量，负载惯量、马达轴心转换惯量、转子惯量。

4．选择马达回转速度。

5．选择马达额定扭矩。负载扭矩、加减速扭矩、瞬间最大扭矩、实效扭矩。

6．选择马达机械位置解析度。

7．根据以上选择马达型号。

六．伺服控制的应用

伺服控制的应用

电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M（旧标准用D）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母G表示。它的主要作用是利用电能转化为机械能。

一、步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100％）的特点，广泛应用于各种开环控制。

二、步进电机的分类

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

●永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7．5度或15度；

●反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1．5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

●混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1．8度而五相步进角一般为 0．72度。这种步进电机的应用最为广泛。

三、 步进电机系统

步进电机系统

1、步进电机的静态指标术语

a．相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。b．拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。

c．步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

d．定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

e．静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

2．步进电机动态指标及术语

a．步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

b．失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

c．失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。

d．最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

e．最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

f．运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。

四、步进电机选型

1、步距角的选择：电机的步距角取决于负载精度的要求。

2、静力矩的选择：静力矩选择的依据是电机工作的负载，一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2－3倍内好。

3、电流的选择：由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流

步进电机选型

五、步进电机的一些特点

1．一般步进电机的精度为步进角的3－5％，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度一般在摄氏130度以上。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

4．步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

5．步进电机应用于低速场合－－－每分钟转速不超过1000转。

六、 步进电机和交流伺服电机性能比较

1、控制精度不同

五相混合式步进电机步距角一般为0．72 °、0．36°交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码

器保证，对于带标准2500线编码器的电机而言，其脉冲当量为360°／10000＝0．036°，伺服电机精度要比步进马达高。

2．低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

3．过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。

4．运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

5．速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合

6．矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，交流伺服电机为恒力矩输出。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

通用电机介绍

三相鼠笼式交流电机是感应电机中最常见的一种，其构造及特性如下：

1）感应电机的构造示意图

通用电机介绍

电机的构造示意图

2）电机的特性：

电机的特性

变频器

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

1） 变频原理

变频器是能够简单、自由地改变交流电机转速的一种控制装置。

变频器是通过改变交流电机电源频率实现调速的：

变频原理