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1、交流永磁同步伺服驱动系统一、伺服系统简介伺服来自英文单词Servo,指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括 位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包 括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件， 在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导 执行电机。交流永磁同步伺服驱动系统（以下简称伺服系统），是基于国外高端伺服技术开发出适 合于国内环境的伺服驱动系统，具有性能优异、可靠性强，广泛应用于数控机床、织袜机械、 纺织机械、绣花机、雕刻机械等领域，在这些要求高精度高动态性
2、能以及小体积的场合，应 用交流永磁同步电机（PMSM）的伺服系统具有明显的优势。其中，PMSM具备十分优良的 低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。交流伺服系统 的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。 伺服系统调速范围一般的在1:50001:10000；定位精度一般都要达到1个脉冲；稳速精度， 尤其是低速下的稳速精度，比如给定1rpm时，一般的在土0.1rpm以内，高性能的可以达到 0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最咼响应频率，即给定最咼频率的 正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90或者幅
3、值不小于50%。应用在特定 要求高的一些场合，目前国内主流产品的频率在200500Hz。运行稳定性方面，主要是指 系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其 他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。二、伺服系统的组成伺服系统的组成1. 上位机上位机通过控制端口发送指令（模拟指令或脉冲指令）给驱动器。驱动器跟随外部指令来执行，同时驱动器反馈信号给上位机。2. 驱动器伺服驱动器是用来控制伺服电机的,是伺服电机的控制部分。伺服驱动器大体可以划分 为功能比较独立的两个模块：驱动模块和控制模块两部分。驱动模块是强电部分，用于电机 的驱动，同时也为控
4、制模块提供直流电源；控制模块是弱电部分，是电机的控制核心，也是 伺服驱动器的技术核心（控制算法）的远行载体。其功能是完成伺服系统的闭环控制，包括 力矩、速度和位置等。一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控 制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。如果您 对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。如果对位置和 速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模 式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身 要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求
5、，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要 求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快； 位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。运动中的动态性能有比较高的要求时， 需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC,或低端运动 控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从 驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）； 如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只 是高端专用控制器。以下分别介绍下这三种控制方式：1、位置控制：位
6、置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个 数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置 模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域：如数控机 床、纺织机械、印刷机械等等。2、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环 PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上 位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器 只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点
7、在于可 以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。3、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出 转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出 为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于 2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来 改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质 的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据 缠绕的半径的变化随时
8、更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。3. 永磁同步电机pmsm作为执行元件，把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 工作原理为：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的u/v/w三相电形成的电磁场， 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 与目标值进行相比较，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）。 所谓交流同步电机，就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的 变化，转子也做响应频率的速度变化，而且转子速度=定子速度，所以称“同步”。其同步转 速年n=60f/2p，其中2p为极对数
9、。额定转速以下输出恒转矩，额定转速以上输出恒功率。三、伺服驱动器的工作原理INPUT 3相AC220 TO 230V50-60Hz（当三相电源输入时）DC电抗器伺服驱动器DL2滤波器DL1rTZH-0 0AT7T777TL2-&启动准备系统错误亠紧急停止-0 0-0 10I 启动准备-L5SM1-M2-A模拟监视输PCNPRB2DC/DC 变换5V12V外接再生电阻RBICHARGRB4ooo门驱动散热器内置-U-o过流过热 V电压检测 继电器驱动再生电阻 保 护 电流检测继电器驱X动D/A串行端口转距控制7位置控制电源通用I/Ori-i速度控制cpuA/D 差分- 接收y外部编码器霍尔传感器
10、CN1通用i/o脉冲指令输入速度指令输入 转矩指令输入 时序输入/输出 报警输出，编码器输出 外部电流限制，电源输入 监视输出接口DG1224VI| 数位操作器 mLm状态显示监视测试操作与调整I参数编辑，报警显示伺服驱动器的原理结构框图伺服与其他产品的比较GND1. 伺服与变频器的比较伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺 服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进 行控制，这是很大的区别。除此外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响 应和准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，但这种
11、电机受工艺 限制，很难做到很大的功率，十几KW以上的同步伺服价格及其昂贵，这样在现场应用允 许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。 所谓伺服就是要满足准确、精确、快速定位，只要满足就不存在伺服变频之争。变频最早只是用来调速，无论同步还是异步电机都可以用，并不用来完成精确定位跟踪 的工作，但近年来，高端变频器技术在不断发展，配合机电时间常数小的电机也能完成伺服 的精确定位跟踪的功能，特别是在大功率场合（异步伺服有价格优势）。伺服本身的功能就 是精确快速定位跟踪，变频器做到这种程度那就是伺服。伺服与变频的一个重要区别是： 变频可以无编码器,伺服则必须有编
12、码器，作电子换向用。一、两者的共同点：交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通 过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频 的这一环节：变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极 的各类晶体管（IGBT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦 的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/p，n转速，f频率，p 极对数）二、谈谈变频器：简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频 器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。
13、现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将 交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大 多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要 加霍尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；ABB的变 频又提出和这样方式不同的直接转矩控制技术，具体请查阅有关资料。这样可以既控制电机 的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加， 加的时候控制精度和响应特性要好很多。三、谈谈伺服：伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变 频器没有该环）
14、都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变 频强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制 速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器 件使之更优越于变频器。四、电机方面：伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或 恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电 源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变 频器驱动的
15、交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输 出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为 了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能 优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！五、应用由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同：1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反 馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。现有些变频也接受脉冲序列信 号控制速度的，但好象不能直接控制位置。2、在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远 大于变频，有些对速度的精度和响应
