[知识百科]伺服电机的组成、分类、选型、控制使用

  

一，伺服电机的组成

1.电机本体

伺服电机的核心部分，通常是直流无刷电机或交流同步电机。其主要作用是提供旋转动力。

• 直流无刷电机
  
  ：效率高，易控制，常用于中小功率场合。
• 交流同步电机
  
  ：适用于高功率和高精度应用。

2.位置/速度传感器

光电编码器构造

 

用于实时检测电机的转子位置和速度，反馈给控制系统。常见传感器包括：

• 编码器：分为增量式和绝对式，用于测量角位移和速度。
• 旋转变压器：抗干扰能力强，常用于工业环境。
• 霍尔传感器：在低成本应用中测量转子位置。
• 光电传感器

3.驱动器

也称为伺服控制器，是电机的控制中心，用于根据控制信号调整电机的转矩、速度和位置。

• 接受外部指令信号（如PLC或控制器发送的脉冲信号）。
• 内部进行闭环控制（速度环、位置环、转矩环）。
• 根据反馈信号调整电机的工作状态。

二，伺服电机的分类

1、按电源类型分类

1，交流伺服电机

• 运行平稳、噪声低、寿命长；适合中高功率和高精度场合。
• 其中永磁同步伺服电机（PMSM）：精度高、效率高，广泛用于工业机器人和机床。

2，直流伺服电机

• 控制简单、动态响应快；适合小功率场合。
• 无刷直流伺服电机：效率高、免维护，广泛应用于消费电子设备、家用电器、办公自动化设备、小型机器人等。

2、按反馈方式分类

1，增量型伺服电机

• 提供相对位移信息。
• 结构简单、成本低，掉电后需重新归零。

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一圈产生一个脉冲，用于基准点定位。

2，绝对型伺服电机

• 提供绝对位置信息。
• 无需重新归零；适合高精度场合，成本高。

直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成从2的零次方到2的n-1次方且唯一的2进制编码。码道数越多精度越大，目前国内已有17位、23位绝对值编码器。

17位，就是2的17次方=131072

20位，就是2的20次方=1048576

23位，就是2的23次方=8388608

单圈绝对位置：

绝对编码器能够在一圈范围内提供唯一位置值（例如360°范围内的任意位置）。适用于需要精确位置反馈的单圈应用，但超过一圈后位置信息会重复。

多圈绝对位置：

除了记录单圈内的绝对位置外，多圈绝对编码器还能记录多个转圈的累计位置信息。适用于更大范围的运动控制，记录范围可以达到数千甚至上百万转，具体范围取决于编码器的分辨率和设计。

三，运行方式

1，位置控制运行模式

位置控制模式一般是通过脉冲的个数确定移动的位移，外部输入的脉冲频率决定转动速度的大小。

伺服电机如何控制行程精度的？

• 编码器分辨率（r）：根据编码器决定了电机转一圈的脉冲个数
• 每转脉冲数（ppr）：使电机转一圈则上级控制器需发出的脉冲数
•  
• 电子齿轮的概念：就是类比机械上齿轮减速比，比如电机原转速10000转，经过齿轮减速后为1000转，那么减速比就是10:1。
• 整个系统上影响速度的可能不止一个机构，可能存在多级减速机构，可以通过配置机构上减速比例告诉驱动器计算最终的行程和控制脉冲的关系。
•  
• 假如编码器分辨率是10000

• 不带电子齿轮比：电机转一圈工件移动6mm， 则单位脉冲对应长度为6mm/10000=0.6um；将工件移动10mm，则需要10mm/0.6um=16666.66个脉冲，实际发送脉冲时会舍去小数，产生误差！

  带电子齿轮比：使用电子齿轮比后，电机转一圈工件移动6mm，编码器分辨率是10000，可配置电子齿轮分子是10000，分母是6000，这样电机旋转一圈设置为需要6000个脉冲，则单位脉冲对应长度是6mm/6000=1um；将工件移动10mm，则需要10mm/1um= 10000个脉冲，实际发送脉冲时不会产生小数，不产生舍去造成的误差！

• 需要电子齿轮比的另一个因素就是上位机的PWM频率可以达到的最大值和电机驱动器可以识别的最高PWM频率，比如若脉冲发生器输出频率为200KHz，伺服编码器分辨率8388608，此时伺服电机若要转一圈，需发送8388608个脉冲。那么想让电机转一圈，最快需要8388608/200000=41.943秒，为了兼顾控制速度通过电子齿轮比来牺牲一些控制精度。

由于位置模式可以对位置和速度进行严格的控制，所以一般应用于定位装置。是伺服应用最多的控制模式，主要用于机械手、贴片机、雕铣雕刻、数控机床等。

2，速度控制运行模式

速度控制模式是通过模拟量给定、数字量给定、通讯给定控制转动速度，主要应用于一些恒速场合。如雕铣机应用，上位机采用位置控制模式，伺服驱动器采用速度控制模式。

3，转矩控制运行模式

转矩控制模式是通过模拟量给定、数字量给定、通讯给定控制转矩大小。主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备等一些张力控制场合，转矩的设定要根据缠绕的半径变化随时更改，以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变

四，选型

1. 明确应用需求

在选型前，首先要了解伺服电机的具体应用场景，包括以下参数：

• 负载类型：是恒定负载还是变动负载，是否存在冲击或惯性负载。
• 运动类型：直线运动或旋转运动。
• 控制目标：定位精度、速度要求、加减速性能等。

2. 确定基本参数

1. 负载惯量
   计算电机与负载的惯量匹配情况：
   • 负载惯量 =负载质量×半径的平方（对于旋转系统，考虑转动惯量）。
   • 惯量比一般控制在 1:3 或更小，惯量差异过大会影响控制性能。

2. 转矩需求

   • 启动转矩：驱动负载开始运动时所需转矩。
   • 运行转矩：在恒速下维持运动的转矩。
   • 加速转矩：满足加速或减速要求的附加转矩。
     

 计算公式：T=F×r

F 为力，r 为力臂半径。

3.速度范围

• • 最大速度：根据工艺需求确定。
  • 稳定运行速度：系统工作时的主要速度。

4.定位精度

• 确定系统对位置误差的容忍度。
• 编码器精度需要满足定位精度要求（如脉冲数、分辨率）。

5.功率需求

• 功率计算公式：P=T×ω
  T 为转矩，ω 为角速度。

五，控制

伺服电机通常需要与驱动器配套使用。伺服驱动器（也称伺服控制器）是伺服系统中的关键组件，它与伺服电机协同工作，完成高精度的运动控制。

伺服驱动器通常具有以下功能：

• 信号解析和处理
  • 接收来自上位机或控制系统的目标信号（如位置、速度、力矩指令）。
  • 解析反馈信号（如编码器、旋转变压器的反馈）以进行闭环控制。
• 闭环控制
  • 执行三闭环控制（位置环、速度环、力矩环），保证伺服电机精确运行。
  • 实时调整输出以满足动态性能要求。
• 电源管理
  • 将输入的电源（通常是交流或直流）转换为伺服电机所需的电压、电流和频率。
  • 根据控制需求提供变速、变频、变力矩的电能。
• 保护功能
  • 对伺服电机进行过载保护、过热保护、欠压保护等，防止硬件损坏。
  • 提供报警信息，便于系统维护和故障诊断。
• 通信和接口
  • 提供多种通信接口（如RS485、CAN、EtherCAT）与PLC、工业PC或控制器连接。
  • 支持多种协议（如MODBUS、CANOpen）以适配不同应用。
  • PWM（脉宽调制）和高低电平控制，通常适用于单片机控制。

六，接口实例

这是一个交流伺服电机+驱动器的接线示意图。具体哪家的产品就不细说了，厂家没出广告费

其中4、6、7、8在同一个连接器上，称为动力线。

动力线接口定义如下：

其他线意思比较明确，就不说了，说说制动电阻。

在电机断电或停止供电时自动释放制动器，使电机可以缓慢停止并记录当前位置信息。这样，可以有效避免因为运行时产生的惯性力而造成设备损坏或安全隐患。同时，当电机重新供电时，可以自动恢复绝对位置参数，确保电机信息的完整从而保证系统的稳定性和安全性。

通常制动有3中方式：动态制动，再生制动，电磁制动。

动态制动器由动态制动电阻组成，在故障，急停，电源断电时通过能耗制动缩短伺服电机的机械进给。一般都是在伺服电机的U V W相上引出三根线上面分别串上一个制动电阻，这三个电阻接到一个继电器上 ，在伺服电机正常工作时这个继电器是吸合的三个相线不短接 当伺服电机要制动时 继电器就断电释放三个相线接到一起了就开始制动了。

再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线。经阻容回路吸收。

电磁制动是通过驱动线圈，触发机械装置锁住电机的轴。后面讲驱动器输出接口的时候介绍电磁制动控制接口。

这里我们使用默认的制动电阻即可。

控制线接口定义如下：

1，指令脉冲输入接口

使用隔离控制的接线方式：

PULS+与 PULS-：通过PWM控制电机，脉冲频率决定转动速度的大小。

SIGN+与 SIGN-：通过高低电平控制电机旋转方向。

PULS+与 PULS-之间以及 SIGN+与 SIGN-之间端口只支持 5V 以下信号
电平输入。

不隔离时，通常单片机高电位驱动时，会把负极一端接到GND。PUALS+和SIGN+接驱动脚。

PLC的驱动方式根据接口不同可以分成两种：

这种接线采用的是共阳极接线方式，内部电路结构如下：

另外一种是共地的接线方式：

内部电路如下：

2，数字输入接口（功能可配置）

隔离驱动方式内部电路如下：

非隔离驱动方式接线：

NPN型驱动

PNP型驱动

驱动器可手动配置输入相关功能：

3，数字输出接口（功能可配置）

内部驱动电路构造如下：

驱动器带有人机交互界面，可以配置输出接口的功能。

4，模拟信号接口

速度和转矩共用一个模拟输入，输入范围：-10V~+10V，输入阻抗约 10KΩ。

5，编码器接口

6，485和CAN接口

暂不做介绍

七，控制实例

1，位置控制模式

PLUS+/-控制速度

SIGN+/-控制方向

或者使用驱动器内部设置位置

或者485、CAN指令控制

图7-1-1位置控制接线

驱动器手动配置：

• 控制方式选择0
• 位置比例增益：1~1000。

 

• 位置指令平滑滤波器：0~1000x0.1ms。

• 指令滤波器选择：0或1。
• 电机转一圈的指令脉冲数：0~30000。
• 位置指令脉冲电子齿轮第一分子、第二分子、第三分子：1-32767。关于电子齿轮比的概念上面已经讲过了，电子齿轮比可以设置多个分子和分母数据计算最终的齿轮比。

• 位置指令脉冲电子齿轮分母：1-32767。
• 位置指令脉冲输入方式：0-3。默认0：一路脉冲控制速度和位移，一路高低电平控制方向。
•  位置指令脉冲方向取反： 0-1。默认0。
• 指令脉冲有效沿： 0-1。默认0。
• 指令方向信号有效电平：0-1。
• 指令脉冲 PULS 信号滤波：0-15。

 

• 指令脉冲 SIGN 信号滤波：0-15。
• 定位完成范围：0-3000脉冲。伺服电机在执行位置指令时，由于惯性、负载变化或控制系统误差等原因，电机的实际位置可能不会完全等于目标位置。当实际位置与目标位置之间的误差小于设定的定位完成范围时，系统会认为电机已到达目标位置，如果没有这个范围，系统可能会反复调整位置。

• 位置超差范围检测：0-30000x100脉冲。设定一个允许的最大偏差范围，当实际位置与目标位置的误差超出这个范围时，系统会检测到“超差”，并触发报警或保护机制。
• 定位完成回差：0-32767。表示伺服电机在多次往返目标位置时，最终停下的位置与目标位置之间的偏差范围。
• 定位接近范围：0-32767。伺服电机在接近目标位置时进入减速或切换控制策略的范围。
• 定位接近会差：0-32767。电机多次接近目标位置时，最终停下来的位置误差。
• 输入、输出有效电平控制字：0000-1111。控制高电平有效还是低电平有效。共4个输入、输出通道，1bit控制一个通道。
• IO 输入端子去抖动时间常数：1-20ms。
• DI1~DI4：4个数字输入通道的功能配置：0-99。
• DO1~DO4：4个数字输出通道的功能配置：0-99。
• 数字输入DI强制有效：0000000-1111111。当某个DI信号被触发时，驱动器会强制执行该信号所对应的功能，无视当前的运行状态或其他逻辑条件。

2，速度控制模式

AS+/-模拟信号控制速度

或者手动配置驱动器使用驱动器内部设置的速度

或者485、CAN指令控制

  图7-2-1速度控制接线

驱动器手动配置：

• 控制方式选择1
• 速度比例增益：5~2000Hz。

 

• 速度积分常数：1~1000ms。
• 内外速度指令选择：0~5。
• 内部速度1，内部速度2，内部速度3，内部速度4：-6000-6000r/min。
• 到达速度：0-3000r/min。
• 加速时间常数：1-10000ms
• 减速时间常数：1-10000ms
• S型加减速时间常数：0-1000ms
• 模拟量速度指令输入增益：10-3000r/min/V
• 模拟量速度指令方向取反：0-1
• 模拟量速度指令零偏补偿：-5000-5000
• 模拟量速度指令滤波器：1-300Hz
• 零速监测点：0-1000r/min
• 速度一致设置值：0-1000r/min
• 到达速度回差：0-5000r/min
• 到达速度极性：0-1
• 零速检测回差：0-1000r/min

3，转矩控制模式

  图7-3-1转矩控制接线

驱动器手动配置：

• 控制方式选择2
• 模拟量转矩指令输入增益：

• 内外转矩指令选择：0~2。
• 转矩控制时速度限制：
• 内部转矩1，内部转矩2，内部转矩3，内部转矩4：300-300。
• 禁止方式：0-1。
• 到达转矩：-300％~300％
• 到达转矩回差：0~300％
• 到达转矩极性：0-1

八，注意事项