伺服电机的资料
交流伺服电机的工作原理
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）。
4. 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，
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，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：

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。

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。

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0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.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0.05～6kW）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1／2，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0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。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ДBy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7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ДБ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0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，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15W～5kW。

现在常采用摴β时浠蕯（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。



步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。


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）。

在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。而近些年兴起的交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度，世界上许多知名电机制造商如松下，三洋，西门子等公司纷纷推出自己的交流伺服电机和伺服驱动器。日本松下公司的MINAS A系列为比较典型的一种。结合笔者使用该伺服电机驱动器的体会，将对该伺服电机驱动器作简要介绍。

　　在位置控制方式下，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲/方向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，主要用于全闭环高级数控机床中


文章来源：中国传动网
原文网址：http://www.chuandong.com/publish/tech/application/2008/7/tech_3_16_10161.html

交流伺服系统在高速数字化电阻焊机中的应用

2009-5-10 9:45:00　郑志丹 陈少波 张自强 阎秋生　供稿
摘 要：基于总线形式由PLC与交流伺服系统组成的位置伺服同步跟踪系统能够使机器能快速同步，实现高速电阻焊机数字化过程控制。通过由PLC控制交流伺服电动机多轴联动系统取代传统的机械联动机构，实现机器各运动之间运动的协调，保证各个相关动作能够快速准确同步运行，不仅使各运动关系之间的“机械锁合”转变为“电子锁合”，同时简化凸轮、无级变速机和万向联轴器等复杂的机械结构，系统的可靠性，从而提高整机的工作性能。
关键词：交流伺服系统；PLC；同步跟踪；总线
Application of AC servo system in high speed digital can body resistance welding machine

ZHENG Zhi-dan1， CHEN Shao-bo1， ZHANG Zi-qiang1， YAN Qiu-sheng2

（1．Key Laboratory of Intelligent Manufacture Technology of Ministry of Education，
Shantou University，Shantou 51 5063，China；
2．Faculty of Mechanical＆Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，
Guangzhou 51 0080，China）
Abstract：The application of position servo synchronously tracking system constituted with PLC andgeneral AC servo system base on bus can help machines quickly and precisely run synchronouslyin high-speed digital can-body resistance welding machine．By the applicationof PLC in co ntrolling general AC servo motor multi-axes ganged system to replace co nventionalmechanical ganged mechanism，the coordination of movements between machineactions can be ensured and every correlative actions can quickly and precisely runsynchronously，and mechanica l-locking betw een quondam movements can be changed tothe lectronic-locking，and the complex mechanical structures such as cams，stepless speedchanging machines and universal joints can be omitted，so the reliability，stability andmanufacturing eficiency of the machine can be enhanced actively．
Key words：AC servo system；PLC；synchronously tracking；bus
1 典型高速电阻焊机的传动结构
　　高速电阻焊机具有多路复杂的高速动作，同时要求具有精确的相互联动关系，多采用机械传动刚性联接装置来实现。图1是典型电阻焊机传动示意图：由一台主电机（11）通过齿轮变速箱（12）带动多个相关的动作系统。[1]



　　其中，送罐系统是机器的主运动系统，称焊接节拍运动，其运动速度主要由每分钟所能焊接的罐数决定。通过由齿轮变速箱（12）、蜗杆减速机（2）、万向联轴节（1）、凸轮装置（13）驱动输送链（14）运动，利用输送链条上的钩爪把垂吊于沟槽内的罐筒体送到打罐位置。
　　铜线驱动系统由齿轮变速箱（12）通过无级变速机（4）、蜗杆减速机（5）带动上焊轮（8）及多槽轮（6）驱动铜线作均速运动，铜线的运动速度主要由节拍速度及罐体高度决定。
　　吸推铁系统从齿轮变速箱（12）通过无级变速机及蜗杆减速机（1O）带动曲柄滑块机构作吸推铁运动，按照送罐节拍准时地吸取片材并送到成圆机构进行成圆，成圆后的罐筒体置于过渡导块的沟槽内处于垂吊状态。
　　打罐系统由齿轮变速箱（12）通过万向联轴节及凸轮装置（9）带动打罐摆臂（7）完成打罐动作，当送罐机构把罐简体送到指定位置后，打罐摆臂在规定的时间内即把罐简体打进焊接位置。
　　在整个工作过程中吸、推铁、输送链（送罐）、打罐摆臂（打罐）等要求有较精确的协调动作关系，因此机械结构较为复杂，其中无级变速机、万向联轴器和凸轮等由于结构复杂，工件加工困难，而且在使用过程中容易磨损，成为精度下降的主要原因和主要故障源。
　　为了简化凸轮装置、无级变速机和万向联轴器等复杂的机械结构，采用由PLC与交流伺服系统组成的位置伺服同步跟踪控制系统，用电气柔性同步传动代替机械的刚性同步传动，简化系统的传动结构，提高系统的可靠性，从而提高整机的工作性能。[2]
2 控制系统的组成
　　通过PLC与交流伺服系统组成的位置伺服同步跟踪控制系统控制电阻焊机的原理图如图2所示，所有的伺服电机都选用带减速机的伺服电机。M1是驱动送罐系统输送链的伺服电机，利用输送链条上的陶制钩爪将垂吊于过渡沟槽的简体准确地送至打罐位置，实现送罐功能。M1作为系统的主运动，其运动速度主要由焊接速度决定，并由PLC通过422总线提供运行速度的设定值，M1运行在速度控制模式。



　　M2是驱动吸推铁系统的伺服电机，由M2驱动曲柄滑块机构进行吸、推铁送料运动，M2每转一周，系统完成一次吸铁及推铁的送料运动，其作用是将按节拍一张一张准确地送到规定的位置上，由成圆机构将薄板卷曲成圆罐体。
　　M3是驱动打罐摆臂运动的伺服电机，M3带动平面7杆机构作打罐运动，实现打罐功能，机构每运转一周，即完成一次打罐动作。
　　由于M2、M3必须准确配合协调M1运行，也即M2必须根据M1的运行状态，准时将薄板送出至成圆机构，卷曲后以圆罐体形式送到准确的位置；同样M3必须根据M1的运行状态，准时把罐体打进焊接位置。因此M2、M3运行在位置控制模式，由M 1伺服电机的脉冲编码器输出的脉冲信号作为M2、M3的位置指令输入脉冲信号，这样只要调整好M2、M3位置环的增益，M2、M3便能跟踪M1运行，从而达到同步跟踪的目的。
　　S1、S2、S3分别是吸、推铁、输送链条、打罐摆臂的零点位置检测传感器，分别联接到PLC的中断输入端口，用于校正各机构的零点位置。系统每次启动时都在PLC的控制下先进行一次零点位置校正，并在系统运行过程中不断对Sl、S2、S3的位置进行检测，并对M2、M3的增益进行同步调整，从而达到控制系统同步的目的。[31M4是铜线驱动伺服电机，运行在速度控制模式，其运行速度由制罐节拍、罐体高度决定，由于采用伺服电机作为铜线的驱动电机，因此铜线运行较为平稳，基本不需调节。
　　M5、M6分别是放线及收线变频调速电机，由于铜线经过压扁、焊接发热之后会有一定的伸缩，因此需要控制电机的转速，达到控制铜线张紧的目的，本系统中选择带内置PID调节功能的变频调速器，变频器的速度给定信号由PLC通过总线形式给定，铜线的张紧程度由传感器反馈给变频器，由变频器内置的PID调节功能进行调节控制，因此只要在系统中设定好变频器的有关参数便可达到控制铜线张力的目的。由于使用了内置PID调节功能的变频器进行调节控制，从而减少了PLC的A／D及D／A模块，同时也减少了PLC进行调节运算的负担，提高了调节速度。
3 控制系统主要工作流程
　　相应控制系统主要工作流程如图3所示：系统每次启动时都先自动进行一次零位校正，所有的机构均从零位开始工作。然后PLC根据设定的制罐速度，控制送罐伺服电机M1运转。伺服电机M1的脉冲编码器的输出脉冲信号分2路分别送到工作于位置控制模式的伺服电机M2、M3位置脉冲信号的输入端，使M2、M3跟踪M1的运行。在运转过程中PLC根据零位反馈的误差信息，来调节控制M2、M3跟踪M1运转。从而控制吸、推铁、送罐及打罐的动作协调关系。



　　同时，PLC根据制罐速度及罐体的高度计算出铜线的运行速度，并控制伺服电机M4驱动多槽轮带动铜线按给定速度作均速运行。根据铜线的运行速度由PLC计算出放线及收线变频调速电机的运行速度，PLC同样通过422总线给变频器提供一个速度给定信号，由于变频调速器是采用RS485总线的形式的，因此在变频器的总线上需加装一只422转485的总线转换器。变频器根据PLC的给定速度及铜线张紧传感器的反馈值，利用自带的PID调节功能进行P1D调节运算，从而保证铜线能自动快速张紧。由于采用变频调速器自带的PID调节功能，因此运行稳定可靠，而且调整方便，只要设定好有关参数即可。
　　利用伺服电机的转矩限制功能，根据M1、M2、M3三台电机的工作性质不同分别对伺服电机进行不同的转矩限制，转矩限制值同样通过总线形式直接进行设定， 同时把各电机的转矩达到信号接到PLC的输入端口作为安全报警信号，取代原来机械刚性传动时的安全离合器功能。

4 小结
　　由于采用总线形式，因此控制系统结构比较简单，而且为上位机监控及远程监控提供了有利条件。由于系统在跟踪过程中直接对位置进行跟踪补偿，因此比单纯采用速度跟踪的方式更为迅速而且准确，使系统能够可靠稳定工作。同时，由于利用变频调速器内置的PID进行调控制，因此使系统更加简单，而且减少了PLC的运算压力。
参考文献：
[1]CHEN Shao—bo．Application ofPLC in digitalization control intelligence can-body high-speed resistance welding machine．Fifth International Symposium on Instrumentation and Control Technology【Z】．SPIE—The Intemational Society for Optical Engineering，2003，Volume 5253．
[2]潘晓彬，等．伺服电机间同步传动的柔性化控制[J]．机电工程，1999（5）．
[3]盛兵，等．基于伺服电机直接驱动的折弯机同步位置控制[J]．机床与液压，2000（2）．



文章来源：中国传动网
原文网址：http://www.chuandong.com/publish/tech/application/2009/5/tech_3_16_13826.html