伺服自动控制系统

伺服自动控制系统

目录

1.序言..........................................................................3

2.伺服自动控制系统功能........................................................4

2.1.主要作用..................................................................4

2.2.发展历史..................................4

2.3.我国现状.................................................................4

2.4.主要分类.................................4

3.伺服系统分类..................................................................5

3.1.开环系统..................................5

3.2.闭环系统.................................................................5

3.3.半闭环系统...............................6

4.伺朋系统的性能要求..........................................................6

5.伺服系统主要结构.............................................................7

5.1.伺服电机驱动器主回路.....................................................7

5.2.电源......................................8

5.3.驱动器....................................................................8

5.4.电机......................................9

5.5.传感器....................................................................9

5.6.控制器.....................................10

6.伺服系统主要特点............................................................10

7.伺服系统突出性能............................................................11

8.伺服系统典型机型............................................................11

8.1.概述....................................................................11

8.2.永磁交流伺服电动机.......................12

9.现代交流伺服系统发展趋势...................................................12

10.现代交流伺服系统主要应用..................................................15

11.伺服系统在数控加工中的作用及组成..........................................16

12.现代交流伺服系统应用趋势..................................................16

13.伺服电机与步进电机简介....................................................16

13.1.什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？.........................17

13.2.请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？.............17

14.伺服和步进电机..............................................................17

第1页共25页

14.1.概述....................................................................17

14.2.控制精度不同............................................................18

14.3.低频特性不同............................................................18

14.4.矩频特性不同............................................................18

14.5.过载能力不同............................................................19

14.6.运行性能不同............................................................19

14.7.速度响应性能不同.......................................................19

15.步进电机和伺服电机的区别和选型方法.........................................19

15.1.怎样选择步进和伺服电机？..............................................19

15.2.选择步进电机还是伺服电机系统？........................................20

15.3.如何配用步进电机驱动器？..............................................20

15.4.2相和5相步进电机有何区别，如何选择？................................20

15.5.何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？.........................20

15.6.使用电机时要注意的问题？..............................................20

15.7.步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，

是什么问题？..................................................................21

15.8.我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？...........................21

15.9.用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？...........................21

15.10.我想用±10V或4〜20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？...........22

15.11.我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？22

15.12.伺服电机的码盘部分可以拆开吗？......................................22

15.13.步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？................................22

15.14.伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？................................22

15.15.可将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？............22

15.16.使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗？.....................22

15.17.如何为我的应用选择适当的供电电源？...................................23

15.18.对于伺服驱动密我可以选择那种工作方式？..............................23

15.19.驱动器和系统如何接地？...............................................23

15.20.减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点？.........................23

15.21.我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器?...........................24

15.22.何为负载率(dutycycle)?.................................................................................................24

15.23.标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？.........................24

15.24.直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？..............................24

15.25.在同一个平台上可以安装多个动子吗？..................................24

第2页共25页

15.26.是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？.............24

15.27.使用直线电机化滚珠丝杆的线性电机有何优点？..........................24

1.序言

伺服系统（servomechanism）乂称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个

过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够

跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命

令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速

度和位置控制非常灵活方便。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），其结构组成和其他形式的反馈控

制系统没有原则上的区别。

伺服控制系统是一种高精度、高响应速度的自动化控制系统，广泛应用于

工业自动化、机器人、航空航天等领域。伺服控制系统的核心是伺服驱动器和

伺服电机，它们通过精确控制电机的转速、位置和力矩，实现对机械设备的精

确控制。

伺服控制系统的主回路主要由电源、驱动器、电机和传感器等部分组成。

1）电源是伺服控制系统的基础，提供稳定的电能。常见的电源类型包括交

流电源、直流电源和电池电源。交流电源成本较低，但需要整流和滤波处理；

直流电源稳定性好，但成本较高；电池电源便携性好，但容量有限，需要定期

充电。

2）驱动器的作用是将信号进行放大，并驱动执行机构完成操作。驱动器主

要由各种电力电子器件组成。

3）电机作为执行机构，主要包括伺服电机、步进电机等。伺服电机和控制

电机在结构和功能上有所不同，伺服电机侧重于控制精度和响应速度，而步进

电机则通过电脉冲信号控制角位移或线位移。

4）传感器用于测量被控制量，实现反馈控制。传感器的精度、线性度、可

靠性和响应速度都很重要，以确保系统的控制精度。

第3页共25页

伺服系统及电气■电气伺服系统等;

从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统

等；

从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数

字式伺服系统；

从系统的结构特点来看，有单回伺服系统、多回伺服系统和开环伺服系统、

闭环伺服系统。

3.伺服系统分类

伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电

机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统。按控制方式划分，有开环

伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、

闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。

3.1.开环系统

开环系统主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。常用的执行元

件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统,

在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的

W要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。

3.2.闭环系统

闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分

组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实

际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压

器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组

成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统

称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精

度要比闭环伺服系统的精度低一些。

比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服

系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随

误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统

第5页共25页

可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。

由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行

放大，驱动电路正是为此而设置的。

执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表

示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交

流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元

件的不同而不同的。

3.3.半闭环系统

一、定义

半闭环进给伺服系统是一种特殊的进给控制系统，基于伺服调节器和反馈

器的组合实现工件的精密进给。相比于开环控制系统，半闭环进给伺服系统更

加精密可靠，能够实现高精度的加工。

二、工作原理

半闭环进给伺服系统的主要组成部分包括伺服调节器、反馈器、电机和传

动系统。其中，伺服调节器负责控制电机的速度和位置，反馈器通过传感器实

时监测工件位置，将反馈信息传输给伺服调节器，从而实现精确的进给控制。

在半闭环进给伺服系统中，反馈器可以采用多种方式实现，例如光电编码

器、线性位移传感器等。这些反馈器能够实时监测工件的位置信息，通过与预

设的进给量进行比较，控制电机的运转速度和方向，从而实现对工件的精密进

给。

三、应用领域

半闭环进给伺服系统广泛应用于高精度加工领域，例如数控机床、电火花

加工机等。该系统具有高精度、稳定性好、可靠性高等优点，在精密加工领域

有着重要的应用价值。

总之，半闭环进给伺服系统是一种利用反馈机制实现精密加工的控制系统。

通过对工件位置的实时监测和控制，能够实现高精度的进给控制，广泛应用于

数控机床、电火花加工机等领域。

4.伺服系统的性能要求

第6页共25页

对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。

稳定性好：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态

下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力，

在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原

有平衡状态；

精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密

加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差

一般都在0.01〜0.001mm之间；

快速响应性好：有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量随输入指

令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。快速响应性是

伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求

过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足

超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

节能高：由于伺服系统的快速相应，注塑机能够根据自身的需要对供给进

行快速的调整，能够有效提高注塑机的电能的利用率，从而达到高效节能。

5.伺服系统主要结构

伺服控制系统的主回路构成，包括电源、驱动器、电机、传感器等部分。

5.1.伺服电机驱动器主回路

伺服电机驱动器主回路是指连接伺服电机和驱动器的电路，用于实现电机

位置、速度等运动参数的控制。

一、定义

伺服电机驱动器主回路是指连接伺服电机和驱动器的电路，用于控制电机

位置、速度等运动参数的控制系统。在伺服电机驱动器中，主回路是一个闭环

反馈系统，通过对电机运动的监测和控制，实现对电机运动参数的精确控制，

从而实现精准运动控制。

二、构成

伺服电机驱动器主回路主要由位置反馈器、电机驱动器、电源等组成。其

中，位置反馈器用于测量电机的位置，向控制器反馈电机位置信息；电机驱动

第7页共25页

器用于根据控制器的信号，控制电机的运动：电源为整个系统提供电能。

具体来说，伺服电机驱动器主回路包含如下几个部分：

1）位置反馈器：用于测量电机的位置变化，并将测量的位置信息反馈给控

制器;

2）控制器：负责计算电机的位置、速度控制信号，并将其转换为电压或电

流信号发送给驱动否；

3）电机驱动器：将控制信号转换为电机驱动信号，控制电机的运动；

4）电源：提供电能。

三、作用

伺服电机驱动器主回路的作用是实现对电机位置、速度等运动参数的控制。

通过在电路中加入反馈电路，可以实现对电机位置的实时检测，并将检测到的

位置信息反馈给控制器，以实现对电机位置、速度等运动参数的控制。在工业

自动化、机器人等领域中，伺服电机驱动器主回路广泛应用于各类运动控制系

统中，具有精度高、速度快、稳定性好等优点。

5.2.电源

伺服控制系统的电源是整个系统的基础，它为系统提供稳定的电能。电源

的类型和参数对系统的稳定性和性能有很大的影响。常见的电源类型有：

D交流电源：交流电源是最常见的电源类型，它通过变压器将高压电转换

为适合伺服系统的低压电。交流电源的优点是成本较低，但需要进行整流和滤

波处理，以获得直流电。

2）直流电源：直流电源可以直接为伺服系统提供稳定的直流电，避免了整

流和滤波的过程。直流电源的优点是稳定性好，但成本较高。

3）电池电源：电池电源是一种便携式电源，适用于移动设备和远程控制设

备。电池电源的优点是便携性好，但容量有限，需要定期充电。

4）再生电源：再生电源可以将伺服系统的再生能量回收利用，提高系统的

能效。再生电源的优点是节能，但需要复杂的控制策略。

5.3.驱动器

伺服驱动器是伺服控制系统的核心部件，它负责接收控制信号，控制电机

的转速、位置和力矩。驱动渊的类型和性能对系统的稳定性和精度有很大的影

第8页共25页

响。常见的驱动器类型有:

1）脉冲驱动器：脉冲驱动器通过接收脉冲信号来控制电机的转速和位置。

脉冲驱动器的优点是控制精度高，但对信号的稳定性和同步性要求较高。

2）模拟驱动器：模拟驱动器通过接收模拟信号来控制电机的转速和位置。

模拟驱动器的优点是控制简单，但精度和稳定性相对较低。

3）数字驱动港：数字驱动器通过接收数字信号来控制电机的转速和位置。

数字驱动器的优点是控制精度高•，稳定性好，但成本较高。

4）矢量驱动器：矢量驱动器采用矢量控制技术，可以精确控制电机的力矩

和速度。矢量驱动器的优点是控制精度高，响应速度快，但需要复杂的控制算

法。

5.4.电机

伺服电机是伺服控制系统的执行部件，它将电能转换为机械能，实现对机

械设备的精确控制。伺服电机的类型和性能对系统的稳定性和精度有很大的影

响。常见的伺服电机类型有：

1）直流伺服电机：直流伺服电机采用直流电源供电，具有控制简单、响应

速度快的优点，但效率较低，维护成本较高。

2）交流伺服电机：交流伺服电机采用交流电源供电，具有效率高、维护成

本低的优点，但控制相对复杂。

3）步进电机：步进电机是一种开环控制的电机，具有控制简单、成本低的

优点，但精度和稳定性相对较低。

4）无刷直流电机：无刷直流电机采用电子换向器代替传统的碳刷换向器，

具有效率高、寿命长的优点，但控制相对复杂。

5.5.传感器

传感器是伺服控制系统的反馈部件，它负责检测电机的转速、位置和力矩

等参数，并将这些信息反馈给控制系统。传感器的类型和性能对系统的稳定性

和精度有很大的影响。常见的传感器类型有：

1）编码器：编码器是一种检测电机位置和速度的传感器，它将机械位置转

换为电信号。编码器的优点是精度高，但成本较高。

2）光电传感器：光电传感潜通过检测光信号的变化来检测电机的位置和速

第9页共25页

度。光电传感器的优点是结构简单，成本较低，但精度和稳定性相对较低。

3）霍尔传感器：霍尔传感器通过检测磁场的变化来检测电机的位置和速度。

霍尔传感器的优点是精度高，抗干扰能力强，但成本较高。

4）力矩传感器：力矩传感器通过检测电机轴的扭矩变化来检测电机的力矩。

力矩传感器的优点是可以直接测量力矩，但成本较高，安装和维护相对复杂。

5.6.控制器

控制器是伺服控制系统的大脑，它负责接收传感器的反馈信号，根据控制

算法计算出控制信号，并发送给驱动器。控制器的类型和性能对系统的稳定性

和精度有很大的影响。常见的控制器类型有：

1）PLC控制器：PLC控制器是一种可编程逻辑控制器，具有编程灵活、扩展

性好的优点，但控制精度和响应速度相对较低。

2）单片机控制器；单片机控制器是一种集成了微处理器的控制器，具有体

积小、成本低的优点，但控制精度和稳定性相对较低。

6.伺服系统主要特点

1.精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制；

2.有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺

服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3

种；

3.高性能的伺服电动机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机

床，伺服系统将经常史于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转

动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有

足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环

节；

4.宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数

控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自

动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定

信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要

第10页共25页

求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。

7.伺服系统突出性能

衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由

系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性

越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，

带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1―2

赫以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使

伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带

宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系

统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高

精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、

磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如

自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相

对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过

减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读

数通道。

伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气

动伺服系统。

最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱

动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构,PLC,专门的运动控制卡,

工控机+PQ卡，以便于给伺服驱动器发送指令。

8.伺服系统典型机型

8.1.概述

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

第11页共25页

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。

8.2.永磁交流伺服电动机

永磁交流伺服电剪机同直流伺服电动机比较：

主要优势：

1.无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低：

2.定子绕组散热比较方便；

3.惯量小，易于提高系统的快速性；

4.适应于高速大力矩工作状态；

5.同功率下有较小的体积和重量。

主要劣势：

1.永磁交流伺服系统采用了编码器检测磁极位置，算法复杂；

2.交流伺服系统维修比较麻烦，因为电路结构复杂；

3.交流伺服驱动器可靠性不如直流伺服，因为板件太过于精密。

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，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。

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。

9.现代交流伺服系统发展趋势

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环己经无处

不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能

DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换

代，新的功率器件或模块每2〜2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异,

总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结

合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：

第12页共25页

高效率化：尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包

括电机本身的高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，也

包括驱动系统的高效率化，包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，

再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。

直接驱动：直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的

线性伺服驱动，由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。

直线电机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化

和轻量化。

高速、高精、高性能化：采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采

样精度和数据位数、速度更快的DSP,无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电

机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标

提高。

一体化和集成化：电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当

前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机

叫智能化电机（SmartMotor）,有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智

能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护

都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战（如可靠性）和工程师使

用习惯的挑战，因此很难成为主流，在整个伺服市场中是一个很小的有特色的

部分。

通用化：通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在

不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、

闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式,

适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，比如异步电机、永磁同步电机、

无刷直流电机、步进电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。

可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的

位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。

智能化：现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，

绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动

辨识电机的参数，自助测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。将电子

齿轮、电子凸轮、问步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起，对于伺

第13页共25页

服用户来说，则提供了更好的体验。

网络化和模块化：将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成

到伺服驱动器当中，己经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发

展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据

传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需

求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。

模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合

方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。

从故障诊断到预测性维护：随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊

断和保护技术(问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化)已经落伍，

最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Internet及时了解重要

技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化

时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发

生的任何畸变保持警惕。

专用化和多样化：虽然市场上存在通用化的伺服产品系列，但是为某种特

定应用场合专门设计制造的伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同

形状、不同表面粘接垢构(SPM)和嵌入式永磁(IPM)转子结构的电机出现，分割

式铁芯结构工艺在F1本的使用使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批

量和自动化，并引起国内厂家的研究。

小型化和大型化：无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的

尺寸发展，比如20,28,35mm外径；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，

己经看到500KW永磁伺服电机的出现，体现了向两极化发展的倾向。

发展方向：随着生产力不断发展，要求伺服系统向高精度、高速度、大功

率方向发展。

1.充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机

实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以

及温度漂移等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、

自适应控制创造条件；

2.开发高精度、快速检测元件；

3.开发高性能的伺服电机(执行元件)。交流伺服电机的变速比己达1：

第14页共25页

10000,使用日益增多。无刷电机因无电刷和换向片零部件，加速性能要比直流

伺服电机高两倍，维护也较方便，常用于高速数控机床。

10.现代交流伺服系统主要应用

机电一体化及其机床电气控制技术的发展概况

机电一体化技术是随着科学技术不断发展，生产工艺不断提出新要求而迅

速发展的。在控制方法上主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复

杂；在操作上，是由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的

出现，又为电气控制技术的发展开拓了新途径。

传统机床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、

行程开关等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式

控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于

各类机床和机械设备。在我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最

基本的电气控制形式之一。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，

而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常

不能满足这种要求，因此曾出现了继电龄接触控制和电子技术相结合的控制装

置，叫做顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机

结构简单，价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控

制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规模集成电路和微处

理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年

代出现了将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器一一可

编程序控制器(PLC),它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故

在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业捽制。

为解决占机械总加工量80%左右的单件和小批量生产的自动化难题，50年

代出现了数控机床。它综合应用了电子、计算机、检测、自动控制和机床结构

设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。数控机床

经过40年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机

床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数

控机床由控制介质、数控装置、何服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系

第15页共25页

统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。

11.伺服系统在数控加工中的作用及组成

在自动控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的

系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件

的位置和速度作为控制量的自动控制系统，乂称为随动系统。

伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件伺服电机）组成，高性能

的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。

数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移

动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度

和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，

不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于

伺服系统。

12.现代交流伺服系统应用趋势

自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块

化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3〜5年就有更新换代的产品面市。传

统的交流伺服电机特性软，并且其愉出特性不是单值的;步进电机一般为开环控

制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性

能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能

被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时

死区矛盾突出，并旦换向刷会带来噪声和维护保养问题。新型的永磁交流伺服

电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调

速范围宽，尤其是低速性能优越。

13.伺服电机与步进电机简介

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

第16页共25页

13.1.什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？

答：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。

13.2.请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么

区别？

答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流

伺服是梯形波，但直流伺服比较简单，便宜。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：⑴无电刷和换

向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯

量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。

⑸同功率下有较小的体积和重量。

14.伺服和步进电机

14.1.概述

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。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。

第17页共25页

在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流

伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适

应数字控制的发展趋势，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)弹性联

轴器，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。

14.2.控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°,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步距角更小。如四通公

司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公

司(BERGERLAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为

1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了

两相和五相混合式步进电机的步距角。

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。以松下全数字

式交流伺服电机为例，对于带标准2500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。/10000二0.036°。对于带17位编码器

的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为

3600/131072=9.89#o是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

14.3.低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性

能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工

作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。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膜片联轴器，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。

14.4.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.所

第18页共25页

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。

14.5.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。以松

下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过我能力。其最大转矩为额定转

矩的三倍，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。

14.6.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。

14.7.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MSMA400W交流伺服电机为例，

从静止加速到其额定转速3000RPM仅需儿毫秒，可用于要求快速启停的控制场

A口O

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。

15.步进电机和伺服电机的区别和选型方法

15.1.怎样选择步进和伺服电机？

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直

负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界

面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是

第19页共25页

直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或

控制器的型号。

15.2.选择步进电机还是伺服电机系统？

其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。

15.3.如何配用步进电机驱动器？

根据电机的电流，配用人于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高

精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，

以获得良好的高速性能。

15.4.2相和5相步进电机有何区别，如何选择？

2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。5相电机

则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30〜50%,可在部分场合取代

伺服电机。

15.5.何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？

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C

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。

15.6.使用电机时要注意的问题？

上电运行前要作如下检查：

1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的

+/•极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时

不要太大）；

2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；

第20页共25页

3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后,

再逐步连接。

4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。

5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和

温升情况，发现问题立即停机调整。

15.7.步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回

动，运行时有时还会失步，是什么问题？

一般要考虑以下方面作检查：

1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因比我们一般推荐用户选型时要

选用力矩比实际需要大50%〜100%的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪

怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。

2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要以使光耦

稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路

是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。

3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规

定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定,

甚至处于惰态。

4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时

造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。

5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

15.8.我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？

可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。

如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和

高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如S加速、多轴插补

等。

15.9.用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？

一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的

开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间高压。而

开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能乂不需要，有时

第21页共25页

可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环形或R型变压器变压的直

流电源。

15.10.我想用土10V或4〜20mA的直流电压来控制步进电机，

可以吗？

可以，但需要另外的转换模块。

15.11.我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机

口的伺服驱动器控制？

可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。

15.12,伺服电机的码盘部分可以拆开吗？

禁止拆开，因为码盘内的石英片很容