伺服电机.doc

伺服电动机(servo motor)的功能是将所输入的电压信号转换为轴上的角位移或角速度输出，其转速和转向随输入电压信号的大小和方向变化而改变的控制电机。伺服电动机能带一定的负载，在自动控制系统中作执行元件，所以又称为执行电动机。例如数控车床，刀具由伺服电动机拖动，他会按照给定目标的形状拖动刀具进行切割器件。早期伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦，而目前伺服技术发展很快，几千瓦的大功率伺服电动机相继出现。 伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可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。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。直流伺服电机的驱动原理1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机特指直流有刷伺服电机电机成本高结构复杂，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，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。直流伺服电机不包括直流无刷伺服电机电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。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。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。按电机惯量大小可分为：1、小惯量直流电机印刷电路板的自动钻孔机2、中惯量直流电机（宽调速直流电机）数控机床的进给系统3、大惯量直流电机数控机床的主轴电机4、特种形式的低惯量直流电机基本特性1、机械特性 在输入的电枢电压ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩m变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。2、调节特性 直流电机在一定的电磁转矩m（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。3、动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。常见用途1、各类数字控制系统中的执行机构驱动。2、需要精确控制恒定转速或需要精确控制转速变化曲线的动力驱动。电机功率：p=1.732uicos电机转矩：t=9549p/n ； 电机功率 转矩=9550*输出功率/输出转速 转矩=9550*输出功率/输出转速p = t*n/9550公式推导电机功率，转矩，转速的关系功率=力*速度p=f*v-公式1转矩(t)=扭力(f)*作用半径(r) 推出f=t/r -公式2线速度(v)=2r*每秒转速(n秒) =2r*每分转速(n分)/60 =r*n分/30-公式3将公式2、3代入公式1得：p=f*v=t/r*r*n分/30 =/30*t*n分-p=功率单位w， t=转矩单位nm， n分=每分钟转速单位转/分钟如果将p的单位换成kw，那么就是如下公式：p*1000=/30*t*n 30000/*p=t*n 30000/3.1415926*p=t*n1：伺服电动机 伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。 伺服电动机有直流和交流之分，最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲就是小功率的直流电动机其励磁多采用电枢控制和磁场控制但通常采用电枢控制。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。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），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 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。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 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）。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 自从德国mannesmann的rexroth公司的indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出mac永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（dsp）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中d系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.252.8n.m），r系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.0160.16n.m）。之后又推出m、f、s、h、c、g 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的d系列和r系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80c、154cpu和门阵列芯片控制，力矩波动由24降低到7，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.056kw）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。 以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（fanuc）公司，在20世纪80年代中 期也推出了s系列（13个规格）和l系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。l系列 有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 日本其他厂商，例如：三菱电动机（hc-kfs、hc-mfs、hc-sfs、hc-rfs和hc-ufs系列）、东芝精机（sm系列）、大隈铁工所(bl系列）、三洋电气（bl系列）、立石电机（s系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（rexroth）的indramat分部的mac系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 德国西门子（siemens）公司的ift5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机ihu系列相比，重量只有后者的12，配套的晶体管脉宽调制驱动器6sc61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国宝石（bosch）公司生产铁氧体永磁的sd系列（17个规格）和稀土永磁的se系列（8个规格）交流伺服电动机和servodyn sm系列的驱动控制器。 美国著名的伺服装置生产公司gettys曾一度作为gould 电子公司一个分部（motion control division），生产m600系列的交流伺服电动机和a600 系列的伺服 驱动器。后合并到aeg，恢复了gettys名称，推出a700全数字化的交流伺服系统。 美国a-b（allen-bradley）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流pwm伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。 i.d.（industrial drives）是美国著名的科尔摩根（kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产br-210、br-310、br-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和bds3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（goldline）永磁交流伺服电动机，包括b（小惯量）、m（中惯量）和eb（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84111.2n.m，功率范围为0.5415.7kw。配套的驱动器有bds4（模拟型）、bds5（数字型、含位置控制）和smart drive（数字型）三个系列，最大连续电流55a。goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。 爱尔兰的inland原为kollmorgen在国外的一个分部，现合并到aeg，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产bht1100、2200、3300三种机座号共17种规格的smco永磁交流伺服电动机和八种控制器。 法国alsthom集团在巴黎的parvex工厂生产lc系列（长型）和gc系列（短型） 交流伺服电动机共14个规格，并生产axodyn系列驱动器。 原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中by系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为735n.m。2by系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1170n.m，配套的是3型控制器。 近年日本松下公司推出的全数字型minas系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有msma系列小惯量型，功率从0.035kw，共18种规格；中惯量型有mdma、mgma、mfma三个系列，功率从0.754.5kw，共23种规格,mhma系列大惯量电动机的功率范围从0.55kw，有7种规格。 韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中faga交流伺服电动机系列有csm、csmg、csmz、csmd、csmf、csms、csmh、csmn、csmx多种型号，功率从15w5kw。 现在常采用（powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。 按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国i.d 的goldline系列为最佳，德国siemens的ift5系列次之。 伺服电机原理一、交流伺服电动机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。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率s01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（t1s1、t2s2曲线）以及合成转矩特性（ts曲线）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100w。当电源频率为50hz，电压有36v、110v、220、380v；当电源频率为400hz，电压有20v、26v、36v、115v等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100w的小功率控制系统。伺服电机 分直流伺服电机和交流伺服电机 现在用得最多的都是三相交流伺服电机。bbf-hda系列双轴伺服驱动器特点 1、ac380v电源直接输入，不需要隔离变压器，节约电气柜空间，节约采购成本。2、每台伺服驱动器均已通过最高温度测试和满负荷测试，所有伺服驱动器部件均采用高品质产品，从而可保证高寿命运行，完备的自我监控和报警功能，可保证伺服驱动器运行中的高可靠性和安全性 。3、将两个驱动装置集成到一个驱动单元，使用一套高性能dsp+cpld控制单元组合，同时单独对两个伺服电机进行位置、转速、双轴同步的数字智能控制。 4、最适用于双轴应用场合，如数控机床、电脑横机、x-y工作平台等。 5、性能指标：调速范围1：5000、 最高速3000rpm、 功率范围0.2kw3kw(每个轴) 6、选用功率模块容量大，达到了3倍启动。加工精度高，加工零件表面光洁度优异，在机床重切时，吃刀量大，系统响应速度快，可与各种国产系统、西门子、台湾新代等系统配套。 7、内置plc编程功能：通过驱动器面板上的四个按键，选择程序控制功能，然后到编程界面进行编程，可以对电机运行的距离、运行的速度、电机的加速时间、减速时间、暂停时间、输入信号控制、输出信号控制进行编程。使电机按预先编制的程序运行，在简单的逻辑控制运用中，可以节省上位机的使用。 bbf-ha高压大功率伺服驱动器特点： 1、ac380v直接输入，节约变压器，节约电气柜空间，其性能可与安川大伺服媲美。每台伺服驱动器均已通过最高温度测试和满负荷测试，所有伺服驱动器部件均采用高品质产品，从而可保证高寿命运行，完备的自我监控和报警功能，可保证伺服驱动器运行中的高可靠性和安全性 。 2、速度、转矩、位置控制，广泛应用于数控机床、立车、数控加工中心、龙门铣、龙门加工中心等大型设备上。 3、使用一套高性能dsp+cpld控制单元组合、采用pim模块、空间电压矢量(svpwm)控制、三种位置指令脉冲输入方式、双电子齿轮输入、更大规模可定制。 4、性能指标： 调速范围1：5000、最高速3000rpm、功率范围1kw-15kw。 5、bbf-ha高压大功率伺服驱动器具有较高地防护等级（ip54)，在恶劣的生产环境中可以可靠实用。6、内置plc编程功能：通过驱动器面板上的四个按键，选择程序控制功能，然后到编程界面进行编程，可以对电机运行的距离、运行的速度、电机的加速时间、减速时间、暂停时间、输入信号控制、输出信号控制进行编程。使电机按预先编制的程序运行，在简单的逻辑控制运用中，可以节省上位机的使用。bbf主轴特点 1、采用高性能的dsp芯片进行异步电机的转速和电流的全数字化控制及异步电机的矢量控制。（1.5-37kw） 2、具有优异的低速性能，在加工中心上可以进行刚性攻丝。 3、具有再生制动功能(7.5kw以上)，节能。 4、采用先进的pim模块，由于开关频率高，在电机上获得的脉冲电压的频率高于20khz，使电机没有任何电气噪音。 5、可选择纯电气定位功能，简化了机械部分，提高了机床的可靠性，并减少了定位时间。 6、可存储百余种参数，系统具有很强的柔性。 7、具有二十余种故障自诊断功能，由显示器显示报警序号。 8、采用光电编码器进行主轴定位控制，定位精度高，可靠性好、功率范围1.5kw37kw，bbf-spg系列可广泛应用于车床、铣床和加工中心等各种机床加工设备，并且可控制内装式电主轴。 9、低速重切、加工螺纹、刚性攻丝等优异，配合西门子系统spos指令可以实现任意分度定位并保持位置。 10、bbf-spp系列伺服主轴：适用于控制双速异步主轴电机，可以根据上位机指令对电机进行 星/三角 切换控制， 能实现低速大扭矩输出，有能实现高速精加工，可大大提高机床的使用效益。bbf-spg系列全功能伺服主轴驱动系统产品优势1、相比于国外全功能伺服主轴驱动系统：我公司产品性能上不输他们很多，甚至有些性能可以与国外先进系统相媲美，但是价格上极具竞争力，并且可以和主流国内外先进数控系统配套。是降低机床制造成本，提高机床产品竞争力的最佳选择。2、相比于国产变频伺服主轴驱动系统，有以下几方面的优势：(1)控制方式先进,矢量控制。(2)过载能力强，150%以上额定输出电流超过一分钟，速度控制精度高。(3)调速范围广，大大的简化了主轴箱的结构。(4)与国内其他厂家相比，我公司具有软件核心开发能力，硬件自主研发设计，完全自主知识产权，并能根据用户需要进行定制，保证了极佳的性价比及供货周期。(5)提供标准的数控接口，连接极为方便，标准应用免调试。(6)驱动器结构设计合理，体积小，占用控制柜空间较小，方便安装与散热，与fanuc驱动器安装尺寸相同，能满足不同用户的需求。区别直流伺服电机的结构和普通直流电机差不多，只是直流电机为满足低惯量采用细长电枢，盘形或空心杯的。交流伺服电机有两相交流绕组，空间相差90点角度，其中一组为励磁绕组，另一组为控制绕组。其控制方式有幅值控制，相位控制，幅值相位复合控制。大多采用复合控制。交流伺服电机的转子电阻一般很大，这样可以防止自转，当控制电压消失后，由于有励磁电压，此时的交流伺服电机中会有脉振磁动势，由于电阻大，t-s曲线发生偏移，反转的磁场产生的t要变大，所以此时合成的t为制动性质的，会停转。交流伺服电机比直流伺服电机性能好一些从定义上讲，交流伺服电机是，交流电机的一种，通过伺服驱动器的矢量控制理论控制电机的扭矩，速度，位置等等，把交流电通过等换计算的方式去控制电机，所以制造技术和伺服驱动器的软件方面比较难开发，国内厂家目前都在仿造日系或者欧美产品。直流伺服电机，就是把