伺服电机在现代工业领域中的应用毕业论文

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1、伺服电机在现代工业领域中的应用 摘要：在科技速度发展的今天，由于工业效率不 断地提高对生产线的速度要求也不断地提高，从而把自动化的核心电机，看的 尤为重要。由于伺服电机对未来的工业及各种高科技行业的重要性，本文力求把伺 服电机推到更广泛的应用领域以及让更多的人了解伺服电机的特性、优点、应用等。 关键词：伺服驱动 伺服电机 脉冲 引言 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 电动机和驱动系统以来交流伺服系统和伺服电机被广泛应用各种领域。除宇航和军 事外，还有工业领域和民用领域。例如：雷达

2、、高炮、高精度数控机床、机器人、纺织 机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流 水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电 子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过 75。 一、伺服电机的介绍 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。 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，

3、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。图 1 为 实图介绍。 图1 台达伺服电机实物图 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，

4、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。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电动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。 3、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

5、器的精度（线数）。 二、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；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

6、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。并且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，其转矩特性曲线与普通异步电动机的转矩特性曲线，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）。 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

7、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更接近于线性，而且具有较?/B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

8、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。 （二）、与步进电机的性能比较 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代 数字控制技术有着本质的联系。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。

9、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），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。 1、控制精度不同 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。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二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

10、。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转 的编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，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 360/80000.045。对 于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈， 因此， 即其脉冲当量为360/1310720.0027466，是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 2、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

11、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，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。 3、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 以其最高工作转速一般在 300600RPM。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。

12、4、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。以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。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。 5、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

13、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。 6、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 200400 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。 （三）、选型计算方法 1、转速和编码器分辨率的确

14、认。 2、电机轴上 负载力矩的折算和加减速力矩的计算。 3、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电 机为例，部分产品惯量匹配可达 50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。4、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般 2kw 以上，要外配置。 5、电缆选择， 编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是 6 芯，增量式是 4 芯。 （四）、安装使用注意事项 1、伺服电机油和水的保护 （1）、伺服电机可以用 在会受水或油滴侵袭的场所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服电机不应当 放置或使用在水中或油侵的环境中。 （2）、如果伺服电机连接到一个减速齿轮，使用 伺服电机时应当加油封

15、，以防止减速齿轮的油进入伺服电机。 （3）、伺服电机电缆不 要浸没在油或水中。 2、伺服电机电缆减轻应力 （1）、确保电缆不因外部弯曲力或 自身重量而受到力矩或垂直负荷，尤其是在电缆出口处或连接处。 （2）、在伺服电机 移动的情况下，应把电缆（就是随电机配置的那根）牢固地固定到一个静止的部分 （相对电机），并且应当用一个装在电缆支座里的附加电缆来延长它，这样弯曲应力 可以减到最小。 （3）、电缆的弯头半径做到尽可能大。 3、伺服电机允许的轴端负载 （1）、确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的 规定值以内。 （2）、在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲

16、负载可 能导致轴端和轴承的损坏或磨损。 （3）、最好用柔性联轴器，以便使径向负载低于允 许值，此物是专为高机械强度的伺服电机设计的。 （4）、关于允许轴负载，请参阅 “允许的轴负荷表”（使用说明书）。 4、伺服电机安装注意 （1） （锤子 、在安装/拆卸耦合部件到伺服电机轴端时，不要用锤子直接敲打轴端。直接敲打轴端，伺服电机轴 另一端的编码器要被敲坏）。 （2）、竭力使轴端对齐到最佳状态（对不好可能导致振 动或轴承损坏）。 、伺服电机的接线如图 2 所示 （五） 图2 台达伺服电机实物接线 图 结束语 由于中国的的工业在世界的地位不断提高，所以我们也要把代表工业科 技的电机的高科技化普及到现代工业领域当中。由于伺服电机特殊的工艺和较高的 精度，所以我认为伺服电机将会在未来起到重要作用，主要是由于它是新型电机现 在教学大纲并没有提为重点，目的是让大家了解伺服电机对未来的重要意义及普及 伺服电机的科学知识。本文所讲伺服电机也为一般的伺服电机常用的接线方式和一 般操作使用方法均为普及伺服电机知识，新手入门最需要了解的知识。