伺服系统培训大纲
一：伺服基本原理介绍
1、伺服电机servomotor的基本概念
伺服是“servo”的音译，拉丁文原意是奴隶的意思，后来引申到机电一体化中的术语，意思为运动机械必须按照控制指令准确无误的实现动作，伺服电机和步进电机是实现精确定位的最常见设备，从控制学的角度来讲，一般称之为“运动控制”（motion control）。
伺服电动机作为执行元件，它是把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，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象。
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）。
CT公司的UNIMOTOR 伺服电机
2、伺服电机的分类与特点：
伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类
? 直流伺服电机一般是有刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，
控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，因此对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感并且对电磁环境要求不高的普通工业和民用场合。
? 交流伺服电机是无刷电机，无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，
惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境 ? 交流伺服电机和无刷直流伺服电机比较
? 直流伺服电机的优点和缺点：
优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)
? 交流伺服电机的优点和缺点
优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）。
缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。
? 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能的比较
总的来说，交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。目前实际应用中，交流伺服电机是主流。
3、交流伺服电机原理
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，
为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
4、交流伺服电机的控制方式
? 转矩控制/电流控制
有些负载，例如螺栓的拧紧枪，主要伺服装置提供必要的紧固力，并且需要根据紧固力的大小来决定伺服驱动的转矩输出。由于伺服装置中的电磁转矩和电枢电流成正比，因此，转矩控制实际上也是电流控制。 ? 速度控制
在速度控制形式中，要求AC伺服在各种运行状态下的速度加以控制，这种控制的应用范围很广，AC伺服驱动的速度控制器通常采用比例积分控制（PI），目的就是控制输出转矩和反向转矩之间的平衡。 ? 位置控制
位置控制是伺服控制中的最体现其性能的控制方式，从结构上来讲，交流伺服的位置控制都是采用的闭环控制，根据反馈信号的源不同，可以分为半闭环伺服控制和全闭环伺服控制。
半闭环伺服控制
全闭环伺服控制
如果位置检测安装在伺服电机轴上，通过检测电动机轴的角位移，间接的反应出运动机构的实际位置，这种方式构成的闭环控制，称为半闭环伺服控制；如果位置的实际值由位置传感器直接检测，并且把位置信息和位置指令进行比较，进而控制AC伺服电动机的输出，这样的闭环控制称之为全闭环伺服控制。
从性能上讲，全闭环伺服更精确、直接；半闭环伺服控制结构更简单。
5、伺服电机的选型方法
? 伺服电机和步进电机的性能比较
运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同
一般伺服电机的精度要更高，步进电机两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。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2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。
二、低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 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。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
三、转矩特性不同
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，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
四、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，其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、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，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。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。
六、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，以山洋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。
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。
? 伺服电机的选型计算方法
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转数：对于同等功率的电机可以选配不同转数的电机，一般来说，转数越低，价格越便宜。 ? ?
扭矩：必须满足实际需要，但是不需要像步进电机那样留有过多的余量。 惯量：根据现场要求选用不同惯量的电机，如机床行业一般选用大惯量的伺服电机。