篇一：交流伺服电动机与直流伺服电动机的比较
交流伺服电动机与直流伺服电动机的比较2012-1-13 11:53:00 来源：南京雪曼机电科技有限公司电气伺服技术在机电一体化产品中的应用最为广泛， 其主要原因是由于伺服电动机控 制方便、灵活，容易获取驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电 子技术和软件技术的发展，为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。在电气伺服系 统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，大致说来，通常分为直流(Dc)伺服 系统和交流(Ac)伺服系统两大类。下面就以 Dc 伺服电动机和 Ac 伺服电动机为比较 对象，来粗略地说明这两类伺服系统的优缺点。 从技术上看，在 20 世纪 60 年代末、70 年代初，Dc 伺服电动机就已经实用化了， 在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的 Dc 伺服电动机。在 20 世纪 70 年代末期，随着微处理器技术、电动机控制技术、大功率高性能半导体器件、电动机 永磁材料的发展和成本的降低， 伺服电动机及其控制装置所组成的 Ac 伺服系统开 Ac 始应用。由于 Ac 伺服系统具有明显的优越性，目前已成为工厂自动化(FA)的基础技 术之一，并将逐步取代 Dc 伺服系统。 在 Ac 伺服系统中，按电动机种类又分为同步型和异步型(感应)Ac 伺服系统两种。两 种类型的 Ac 伺服电动机与 Dc 伺服电动机的主要性能比较见表 l-1。Dc 伺服电动机在轴端安装高性能的速度和位置检测器，并用脉冲宽度调制(PwM)大 功率电力电子器件(IGBT)的放大器驱动，可以使 Dc 伺服系统具有优良的控制性能， 所以在 20 世纪 70 年代曾获得了广泛应用。但由于 Dc 伺服电动机．存在机械换向 器，需要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影响与
其相连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。这些缺点和 限制都是由变流机构一机械换向器所造成的。所以，革除机械换向器而保留 Dc 伺服 电动机的优良控制性能，是人们长期以来一直在追求的目标。 Ac 伺服电动机本身结构简单，坚固耐用，体积小，质量轻，没有机械换向，无需多 少维护。由于电力电子器件组成的逆变器及微电子器件对逆变器的控制灵活性．为取 代机械换向器提供了条件，才有可能使得包括 Ac 伺服电动机、逆变器及其控制回路 等组成的整体装置——Ac 伺服系统， 达到 Dc 伺服电动机及 Dc 伺服系统的控制性能， 克服了 Dc 伺服电动机的缺点，发挥了 Ac 伺服电动机的长处。 Ac 伺服电动机通常有笼型异步(感应)伺服电动机和永磁同步型伺服电动机两类，由 电子器件与其结合，分别构成异步型 Ac 伺服系统和同步型 Ac 伺服系统。 异步型 Ac 伺服系统的控制方法是采用矢量变换控制。所谓矢量变换控制就是模仿 Dc 伺服电动机的控制，把异步伺服电动机的定子电流分成两个电流分量进行分别独 立控制，一个电流分量与转子磁通方向一致，该电流分量称为定子电流的励磁分量； 另一个电流分量与转子磁通垂直，该分量称为定子电流的转矩分量。由于实现矢量变 换计算复杂，电动机低速特性不良，容易发热。因此，在功率为千瓦、转速下限为几 分钟一转的进给伺服驱动中，大多数情况下，都采用同步型伺服电动机。 作为伺服驱动用的同步电动机，在转子上装有永磁材料，产生恒定磁场。在伺服电动 机轴的非负载侧安装速度检测器和位置检测器。 位置检测器的一个用途就是用以检测 永磁体的磁极位置。 由磁极位置信号控制同步伺服电动机电枢电流的相位以实现转子 磁场方向与电枢电流矢量的磁场在空间上正交， 在其他条件一定时所产生的电磁转矩 最大。由于可以连续测量出磁场位置，因此，就可以对电枢电流的相位进行精细的控 制。 对定子电流幅值和相位进行控制， 达到了对定子电流瞬间值进行细微控制的要求。 应该进一步指出，电动机的转子磁通系由转子上的永磁体产生且保持恒定，所控制的 定子电流与磁场正交，完全是用来产生转矩的。这一点和 Dc 伺服电动机是一样的， 电磁转矩和定子电流具有线性关系。如果转子磁通和定子电流矢量间不是正交的话， 则可能导致气隙的有效磁场增加或减少，电动机的运行状态将发生变化。
篇二：伺服系统应用案例
伺服系统应用案例
主轴电机与伺服电机有什么区别？
答:数控机床用电机主要有两种电机:进给伺服电机和主轴电机。
数控机床对进给伺服电机的要求主要为:
(1)机械特性:要求伺服电机的速降小、刚度大;
(2)快速响应的要求:这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格;
(3)调速范围:这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质;适应于各种不同的加工工艺;
(4)一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的阻力，因此主要是”恒转矩”的性质。
对主轴电机的要求主要为:
(1)足够的输出功率，数控机床的主轴负载性质近似于”恒功率”，也就是当机床的主轴转速高时，输出转矩较小;主轴转速低时，输出转矩大;即要求主轴驱动装置要具有”恒功率”的性质;
(2)调速范围:为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质;适应于各种不同的加工工艺，要求主轴电机具有一定的调速范围。但对主轴的要求比进给低;
(3)速度精度:一般要求静差度小于5 ％，更高的要求为小于1％;
(4)快速:主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这就要求它也具有一定的快速性。
为什么伺服电机和主轴电机的输出指标不同，伺服电机以转矩(N.m)，主轴以功率(kW)为指标？
答:一般说来，伺服电机和主轴电机在数控机床里作用不同，伺服电机驱动机床的工作台，工作台的负载阻尼为折合到电机轴上的转矩，所以伺服电机以转矩(N.m) 为指标。主轴电机驱动机床的主轴，它的负载必需满足机床的功率，所以主轴电机以功率(kW)为指标。这是习惯的叫法。其实，通过力学公式的换算，这两个指标可以进行互算。
伺服电机的特性曲线是怎么样？曲线上哪些是典型的参数点？
答:图1为伺服电机的主要特性曲线之一。
在图上，ωmax为额定速度和最大允许速度。
T0为连续额定堵转转矩，T2为连续额定转矩，Tmax为最大堵转转矩，T1为为断续额定转矩。P0为额定输出功率，Pmax为最大输出功率。堵转转矩是指电机转子在其所有角位堵住时所产生的转矩的最小测得值。
以FANUC 的伺服电机为例，以上特性曲线是对应电机电流为正弦、环境温度为20℃的情况，并有±10%的容差。如果环境温度高于它，工作的极限还得降低。由于铁磁材料的温度系数为负，因此，特性曲线上的值要降低。对于大于20℃的情况，每升高1℃曲线上的值对FANUC的αi大约降低0.19% ,对αis大约为0.11%;建议选择70%的电机额定值作为负载满负荷。
伺服电机从额定堵转转矩到高速运转时，为什么转矩降低(参见图1)？
答:转矩降低主要是由于电机绕组的散热变坏和机械部分发热引起的。高速时，电机温升变大，因此，正确使用伺服电机前一定要对电机的负载进行验算。
图1 伺服电机特性
如何验算伺服电机的负载？
答:一般伺服电机有两种负载:阻尼负载和惯性负载;验算的结果要使电机输出轴的阻尼负载转矩不超过特性曲线允许的范围;验算惯性负载主要是计算电机轴上的惯量，然后计算是否满足加、减速时间的要求。
使用FANUC的交流伺服电机，对负载惯量有什么要求？
答:负载惯量很大地影响伺服电机的控制能力和快速加减速时间。因此，正确选择负载惯 量的大小十分重要。对于FANUC的α、αi、αis系列的伺服电机，如果折合到电机轴上的负载惯量等于或小于电机转子的惯量，工作不会发生问题。一般稳定正常工作要求折合到电机轴上的负载惯量小于电机转子的3倍。如果生产机械折合到电机轴上的负载惯量大于电机转子的3-5倍时，还按正常调试的参数设定，系统可能工作不正常。要尽量避免采用这种负载工作。需要时联系FANUC的技术人员解决。
FANUC伺服电机的防护是什么等级？
答:FANUC伺服电机的防护等级如表1、表2:
表1 FANUC伺服电机的防护等级
表2 FANUC的主轴电机防护等级
表里的数据并不表明任何的尘埃都可以防止、任何的喷水都可以抵挡。对于防护等级所包含的意义在防护标准里都有明确的数据规定。机床设计师除了应该选择合理的防护等级外，还应该在设计中考虑如何更好地保护伺服电机。使伺服电机尽量不在恶劣环境下工作。
FANUC伺服电机αis与βis有什么区别？
答:除电机的参数不同外，αis和电机的编码器为1000,000/rev;而伺服电机βis的编码器却是130,000/rev。αis更适合于高精度的加工。
FANUC的βis伺服电机是否可用于模具加工？
答:不同精度的模具对加工精度的要求也不同，对模具加工设备的要求也不同。档次为中、低档 的模具，如果选择βis伺服电机、加上数控系统FS-0i有关的高精度加工功能是可以加工出符合要求的模具。但对中、高档的模具加工最好选择αis的伺服 电机和具有高精、高速功能的数控系统，比如FANUC数控系统FS-18i。
对立式加工中心，当伺服急停或报警时，伺服单元的主接触器MCC断电，由于伺服电机的
制动有滞后，机床的主轴箱就会下滑，甚至损坏工具或工件，如何克服这个缺陷？
答: FANUC的数控系统，有一个”制动器控制功能 ”，可以在一定的范围内延时控制MCC断电的时间，另外，还可以延时急停起作用时间;设一般制动器动作的时间为t1，选择MCC动作时间t2大于t1，急 停起作用时间为t3，t3> t2，就可以达到控制主轴箱下滑目的。比如，选择t1=50-100ms，t2=200 ms，t3=400ms就可以防止主轴箱下滑。
使用主轴电机时与负载的工作制有什么关系？
答:工作制表明电机在不同负载下的允许循环时间。电动机工作制为:S1~S10;其中:
(1)S1工作制:连续工作制，保持在恒定负载下运行至热稳定状态;简称为S1;
(2)S2工作制:短时工作制，本工作制简称为S2，随后应标以持续工作时间。如S2 60min;
(3)S3工作制:断续周期工作制，按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机、断能时间。本工作制简称为S3，随后应标以负载持续率，如S3 25%;
(4)S4工作制:包括起动的断续周期工作制。本工作制简称为S4，随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext，如S4 25%JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2;
(5)S5工作制:包括电制动的断续周期工作制。本工作制简称为S5，随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext，如S5 25%JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2;
(6)S6工作制:连续周期工作制。每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间，无停机、断能时间。本工作制简称为S6，随后应标以负载持续率，如S6 40%;
(7)其他还有:
S7工作制:包括电制动的连续周期工作制;
S8工作制:包括负载-转速相应变化的连续周期工作制;
S9工作制:负载和转速作非周期变化的连续周期工作制;
S10工作制:离散恒定负载工作制。
电机可以运行直至热稳定，并认为与S3~S10工作制中的某一工作制等效。
FANUC伺服电机运转一段时间后，用手摸会感觉很热，是否正常？
答:伺服电机运转一段时间后有一定的温升，这是正常的。它的温升主要由电 机绕组的温升决定。允许的绕组温升由绕组所采用的绝缘等级规定。比如，伺服电机αi、αis的绝缘等级为”F”，允许最大绕组的温升为125℃，如果环境 温度为20℃，那么绕组的温度为145℃，在电机的外壳当然会有热度。
FANUC的主轴电机α 、αp有什么区别？
答:α 和αp主轴电机间的差别是αp的主轴电机具有较大的”恒功率”范围，同样大小尺寸的α 和αp主轴电机，α 的输出功率比αp的主轴电机大。也就是说，αp的主轴电机是采用降低电机的功率而扩大了输出功率范围。
如何检查伺服电机的绝缘电阻？
答:当进货检查或发现电机有不祥征兆需要测量电机绕组的绝缘电阻时，用500V的电阻表进行测量。绕组对电机 外壳的绝缘电阻应该大于或者等于100MΩ，电机绝缘正常。小于1 MΩ时，不能使用。在10-100 MΩ间，可以应用，但要定时检测;在1~10 MΩ间，要特别小心
使用，并要经常检查。
在调试数控机床(用FANUC 数控系统0i-A控制)的重复定位精度时，让机床的一个轴往复运动多次，观察诊断参数#300(伺服误差)，每次定位时其数值都不同，有时在某些位置，发现#300数值每次在增加，好像有累积误差，这是怎么产生的？
答:FANUC 数控系统0i-A 的#300诊断参数的意义是伺服轴的位置偏差;它表示指令与实际移动距离之差。这个参数与很多因数有关。高精度机床在测重复定位精度时，#300数值大约 在 2~+2之间，视负载、机床导轨情况会有些变化。如果它变化不定，可以增大位置增益，或者改变机床的润滑看看情况是否变好。
为什么FANUC的伺服系统需要电源变压器?如何选择电源变压器的容量?
答:FANUC的伺服系统有两种输入:
(1)三相380V电源直接输入;
(2)通过三相380V/200V变压器输入。
在我国，由于电网电压在有些地区的变化还比较大，为了保证系统可靠工作，建议采用带电源变压器的输入。计算所需电源容量可按照下面公式计算:
设所需电源容量为A(kVA)，计算所需的PSM模块额定容量为B(kW)，选择的PSM模块额定容量为C(kW)SM额定输出时的电源容量为D(kVA);
主轴电机连续额定输出为E(kW)，伺服电机连续额定输出为F(kW);
首先计算所需的PSM模块额定容量B;然后计算A。
B≥1.15×E＋0.6×F
那么:A＝(B/C)×D
例:系统选择主轴电机为α12/10000i电机，连续额定输出为11 kW;伺服电机为3台α8/4000is，连续额定输出为2.5 kW;那么: B≥1.15×11＋0.6×2.5＝14.15 kW;
选择PSM的额定容量为11(kW)SM额定输出时的电源容量为17(kVA);
那么:
A＝(B/C)×D＝(14.15/11)×17=22(kVA)
也就是说,需要22 kVA的电源容量。
如何克服机械的自然频率引起的振动？
答:所谓机械的自振是指由于机械自身的质量和机械系统的弹性变形使机械在运动过程中引起的振动。机械自振的频率ωm也称为机械系统的自然频率。如下式:
其中，ωm为自然频率;Κm为机械系统的刚度;JL为折合到电机轴上的转动惯量。设计和调试机床时，应使自然频率ωm大于该坐标轴伺服系统的位置环的位置增益。
什么是HRV控制功能？
FANUC为了提高伺服装置的性能和实现数控系统的功能;对控制不断改进。其中最重要的控制功能为HRV控制。 FANUC的CNC采用交流伺服电机，实际流过绕组的电流为交流电
流。这有二种方法可以进行控制1)电流控制环和控制都为AC量;(2)通过坐标变换电流变量为DC量进行控制。
现在一般采用后者进行控制。也称矢量变换控制。矢量控制原理为:交流电机中，转子由定子绕组感应的电流产生磁场;而定 子电流含两个成份，一个影响激磁磁场，另一个影响电机输出转矩。这两个电流成份在定子耦合在一起;为了使交流电机应用在既需要速度又需要转矩控制的场合， 必须把影响转矩的电流成份解耦控制，采用磁通向量控制法就可以分离这两个成份，并进行独立控制。 HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取决于电机的速度(即电流的频率);从速度控制的观点出发，这意味着由转矩指令决定的实际的 转矩与电机的速度无关。HRV是”高响应矢量”(HIGH RESPONS VECTOR)的意义。 所谓HRV控制是对交流电机矢量控制从硬件和软件方面进行优化，以实现伺服装置的高性能化，从而使数控机床的加工达到高速和高精;
为了实现高速和高精，进给伺服装置的HRV主要控制:
(1)对输入指令具有高精高速的响应;减少采样时间，对电流进行高精度检测;优化软件设计，对电流和速度进行控制，以加大速度增益和位置增益，从而提高改善系统的性能;
(2)对外部的干扰具有良好的鲁棒性;
(3)采用高精度编码器;
(4)设置HRV滤波器，减少机械谐振影响。通过以上措施提高系统的速度增益和位置增益。 而主轴伺服装置的HRV主要控制:
(1)设置HRV滤波器，减少机械谐振影响，加大速度增益;提高系统稳定性;
(2)精调加减速，提高同步性;
(3)降低高速时绕组温升。
为了使用户方便调试，对伺服装置，FANUC还设计了”SERVO GUIDE”软件工具。它采用自校正(self tuning)技术，通过计算机，可自动地把伺服参数进行设定，并显示运转的波形，使伺服系统方便、准确、快速地调试和进行维修。
由 于从电机、驱动器、编码器、伺服总线和控制技术等多方面采取措施，使FANUC的伺服装置具有优秀的性能。保证了高效、高精、高速加工的实现。FANUC 的伺服装置是为FANUC数控系统配套的，FANUC的数控系统具有较高的市场占有率，受到用户的青睐;这和它的配套具有良好性能的伺服装置是分不开的。
篇三：直流伺服电机特性及应用
《控制电机》论文
直流伺服电机的原理及应用
学生姓名: 222 任课教师：22 学生学号：22
专 业：电气工程及其自动化
2014 年 5月
直流伺服电机的原理及应用
---22222222
引言 在上个世纪，工人师傅们花去了大量的时间和精力来手动来完成很多事情，比如线瓶灌装、系统温度控制等。即使在早期工业时期，因为电机的不稳定性，好多工作还是人工完成。自从出现了伺服系统，才改变了这种现状。伺服电机的出现，明显的提高了产量，
在编写过程中，本人主要依照这几年来所学电机方面的知识，并参考了大量与本设计有关的资料文献由于各种类型的伺服电动机原理大致相同或相似，本人主要以应用较为广泛的直流伺服电动机作为研究对象.主要研究直流伺服电机的结构、工作原理、主要特性以及应用。
尽管已经作了很大的努力，但由于水平实在有限，经验不足，难免存在一些错误和不妥之处，望老师批评指正。
一、伺服电机的工作原理 伺服电机因其启动转矩大、运行范围广、无自转现象、快速响应等特性被广泛用于数字控制机床中。外观如图1-1、1-2。
图1-1 伺服电机外观 图1-2伺服电机外观
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。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，但维护不方便（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。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。
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。控制电路图如图1-3。
图1-3 伺服系统电路图
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）
。
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。下面将对直流伺服电机着重介绍。
直流伺服电机，指使用直流电源得伺服电动机，实质上就是一台他励式直流电动机。它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。直流电机分为传统型和低惯量型两大类。
图1-4 直流电机工作原理
图1-5 直流电机工作原理
直流伺服电机是梯形波，而交流伺服要好一些，
因为是正弦波控制，转矩脉动小。但直流伺服比较简单、便宜。此外，直流电机一般用在功率稍大的场合，其输出功率一般为1—600w,
但有时也可以用在数千瓦的系统。
近几年，随着电子技术的高速发展，伺服电机也有了很大的发展，出现各种新型结构的伺服电机，比如：
图1-6 盘型电枢伺服电机结构示意图
1-7 电磁式直流伺服电机的定子冲片 图