交流伺服电机系统与步进电机系统学习知识.doc

.- 交流伺服电机系统与步进电机系统知识 来源：网络 永磁交流伺服驱动技术的迅猛发展使直流伺服系统面临被淘汰的危机 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不断推出新的交流伺服电机和伺服驱动器系列产品。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，使直流伺服系统面临被淘汰的危机。 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，运行更可靠，免维护保养。 　⑵定子绕组发热大大减少。 　⑶惯量小，系统快速响应性好。 　⑷高速大力矩工作状态好。 ⑸相同功率下体积小重量轻。 永磁交流伺服系统的兴起和现状 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永磁交流伺服电机驱动系统开始，标志着新一代交流伺服技术已经成熟。到1980年代中后期，各大公司都已有了完整的系列产品，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，控制部分可由软件完成。到20世纪90年代以后，全数字正弦波控制的永磁交流伺服电机驱动系统在传动领域中的地位进一步上升。 目前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。 永磁交流伺服系统各主要生产商概况 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的8051单片机控制，改为正弦波驱动的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、绕线机等方面的不同需求。 以生产机床数控装置而著名的日本法那克（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。其中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Gettys名称，并推出A700全数字化交流伺服系统。 美国AB（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产的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永磁交流伺服电动机（Goldline），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。 前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。 现在常采用功率变化率（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）力矩与转子转动惯量之比。 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。 一、伺服电机servo motor “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。 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。 二、伺服电机分为交流伺服和直流伺服 伺服电机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。 交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机（异步电机）相似。在定子上有两个相空间位移90电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。 直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 直流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜) 交流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境） 　　 缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。 三、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，对使用环境有要求，通常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，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，其功率范围大，功率可以做到很大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用于低速平稳运行场合。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制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将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从而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）。 四、交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能上有什么区别？ 交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。 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上；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，杯壁仅0.2-0.3mm，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。 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电容运转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多，所以伺服电动机与电容运转式异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大：由于转子电阻大，使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。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、运行范围宽：运行平稳、噪音小。 3、无自转现象：运转中的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。 二、什么叫做“精密传动微特电机”？ “精密传动微特电机”能够在系统中快速而正确地执行频繁变化的指令，带动伺服机构完成指令所期望的工作，大多能够满足以下要求： 1、能频繁启动、停止、制动、反转及低速运行，且机械强度高、耐热等级高、绝缘等级高。 2、快速相应能力好，转矩较大，转动惯量小，时间常数小。 3、带有驱动器和控制器（如伺服电机、步进电机），控制性能良好。 4、高可靠性，高精度。 三、“精密传动微特电机”的类别、结构和性能 1、交流伺服电机 （1）笼型两相交流伺服电机（细长笼型转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流小、小功率伺服、低速运转不够平滑） （2）非磁性杯型转子两相交流伺服电机（空心杯转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流较大、小功率伺服、低速运转平滑） （3）铁磁杯型转子两相交流伺服电机（铁磁材料杯型转子、机械特性近似线性、转子转动惯量大、齿槽效应小、运行平稳） （4）同步型永磁交流伺服电机（由永磁同步电机、测速机及位置检测元件同轴一体机组，定子为3相或2相，磁性材料转子，必须配驱动器；调速范围宽、机械特性由恒转矩区和恒功率区组成，可连续堵转，快速相应性能好，输出功率大，转矩波动小；有方波驱动和正弦波驱动两种方式，控制性能好，为机电一体化产品） （5）异步型三相交流伺服电机（转子与笼型异步电机相似，必须配驱动器，采用矢量控制，扩大了恒功率调速范围，多用于机床主轴调速系统） 2、直流伺服电机 （1）印制绕组直流伺服电机（盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩大） （2）线绕盘式直流伺服电机（盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，控制性能优于其他直流伺服电机，效率高，输出转矩大） （3）杯型电枢永磁直流电机（空心杯转子，转子转动惯量小，适用于增量运动伺服系统） （4）无刷直流伺服电机（定子为多相绕组，转子为永磁式，带转子位置传感器，无火花干扰，寿命长，噪声低） 3、力矩电机 （1）直流力矩电机（扁平结构，极数槽数换向片数串联导体数多；输出转矩大，低速或堵转下可连续工作，机械和调节特性好，机电时间常数小） （2）无刷直流力矩电机（与无刷直流伺服电机结构相似，但为扁平状，极数槽数串联导体数多；输出转矩大，机械和调节特性好，寿命长，无火花，噪声低） （3）笼型交流力矩电机（笼型转子，扁平结构，极数槽数多，启动转矩大，机电时间常数小，可长期堵转运行，机械特性较软） （4）实心转子交流力矩电机（铁磁材料实心转子，扁平结构，极数槽数多，可长期堵转，运行平滑，机械特性较软） 4、步进电机 （1）反应式步进电机（定转子均由硅钢片叠成，转子铁心上无绕组，定子上有控制绕组；步距角小，启动与运行频率较高，步距角精度较低，无自锁力矩） （2）永磁步进电机（永磁式转子，径向磁化极性；步距角大，启动与运行频率低，有保持转矩，消耗功率比反应式小，但须供正、负脉冲电流） （3）混合式步进电机（永磁式转子，轴向磁化极性；步距角精度高，有保持转矩，输入电流小，兼有反应式和永磁式两者的优点） 5、开关磁阻电机（定转子均由硅钢片叠成，都为凸极式，与极数相接近的大步距反应式步进电机结构相似，带有转子位置传感器，转矩方向与电流方向无关，调速范围小，噪声大，机械特性由恒转矩区、恒功率区、串励特性区三部分组成） 6、直线电机（结构简单，导轨等可作为二次导体，适用于直线往复运动；高速伺服性能好，功率因数和效率高，恒速运行性能优） 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能上有什么区别？ 交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。 无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机的本质区别是什么？ 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 什么叫电机四象限运行？ 把电机的运行速度方向用一条数轴X来表示，数轴的正方向代表正转的转速，反方向表示反转的转速； 把电机的电磁转矩方向用一条数轴Y来表示，数轴的正方向代表正的电磁转矩，反方向表示负的电磁转矩； 构成一个平面坐标系XOY，那么电动机正常电动状态处在第一象限（正转、电动），发电（制动）再生运行在第二象限（正转、发电）. 电梯曳引电动机由于正常状态就不断正、反转，上、下行都有可能电动或发电，处于四象限运行状态，各个状态能量转换方向不同. 用四象限来描述电机运行状态，和用熟悉的正、反转，电动、发电描述是一样的道理。 伺服电机的选型原则 1、机电领域中伺服电机的选择原则 现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。 图1各种电机的T- 曲线 （1）传统的选择方法 这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度 (t)，角加速度 (t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然。电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。用 峰值，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限= 峰值，最大/ 峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。 （2）新的选择方法 一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载。 在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。比如，一个大的传动比会减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转，产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。选择一个合适的传动比就能平衡这相反的两个方面。通常，应用有如下两种方法可以找到这个传动比n，它会把电机与工作任务很好地协调起来。一是，从电机得到的最大速度小于电机自身的最大速度 电机，最大；二是，电机任意时刻的标准扭矩小于电机额定扭矩M额定。 2、一般伺服电机选择考虑的问题 （1）电机的最高转速 电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 式中，为电机的额定转速（rpm）；n为快速行程时电机的转速（rpm）；为直线运行速度（m/min）；u为系统传动比，u=n电机/n丝杠；丝杠导程（mm）。 （2）惯量匹配问题及计算负载惯量 为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即。 式中， 为各转动件的转动惯量，kg.m2；为各转动件角速度，rad/min； 为各移动件的质量，kg；为各移动件的速度，m/min； 为伺服电机的角速度，rad/min。 （3）空载加速转矩 空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80% 以内。 式中， 为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。 （4）切削负载转矩 在正常工作状态下，切削负载转矩 不超过电机额定转矩 的80%。 式中， 为最大切削转矩（N.m）；D为最大负载比。 （5）连续过载时间 连续过载时间 应限制在电机规定过载时间之内。 3、根据负载转矩选择伺服电机 根据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴上的负载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。 式中，为折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；F为轴向移动工作台时所需的力（N）；L为电机每转的机械位移量（m）；为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；为驱动系统的效率。 式中， 为切削反作用力（N）；为齿轮作用力（N）；W为工作台工件等滑动部分总重量（N）；为由于切削力使工作台压向导轨的正压力（N）； 为摩擦系数。无切削时，。 计算转矩时下列几点应特别注意。 （a）由于镶条产生的摩擦转矩必须充分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。 （b）由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别注意。 （c）切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分离的。如图所示，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块表面的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。 （d）摩擦转矩受进给速率的影响很大，必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠，压力)，滑块表面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。 （e）通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，周围温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积累的参数，来得到正确的数据。 4、根据负载惯量选择伺服电机 为了保证轮廓切削形状精度和低的表面加工粗糙度，要求数控机床具有良好的快速响应特性。随着控制信号的变化，电机应在较短的时间内完成必须的动作。负载惯量与电机的响应和快速移动ACC/DEC时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。因此，加在电机轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量5倍以上时，会使转子的灵敏度受影响，电机惯量和负载惯量 必须满足： 由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。 （a）圆柱体惯量 如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算： （kg cm2） 式中，γ为材料的密度(kg/cm3)；D为圆柱体的直经(cm)；L为圆柱体的长度(cm)。 （b）轴向移动物体的惯量工件，工作台等轴向移动物体的惯量，可由下面公式得出： （kg cm2） 式中，W为直线移动物体的重量(kg)；L为电机每转在直线方向移动的距离(cm)。 （c）圆柱体围绕中心运动时的惯量如图所示： 圆柱体围绕中心运动时的惯量 属于这种情况的例子：如大直经的齿轮，为了减少惯量，往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算： （kg cm2） 式中，为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2)；W为圆柱体的重量(kg)；R为旋转半径(cm)。 （d）相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo折算到电机轴上的计算方法如下： （kg cm2） 式中，为齿轮的齿数。 5、电机加减速时的转矩 （1）按线性加减速时加速转矩 电机加速或减速时的转矩 按线性加减速时加速转矩计算如下： （N.m） 式中， 为电机的稳定速度； 为加速时间；为电机转子惯量（kg.cm2）；为折算到电机轴上的负载惯量（kg.cm2）；为位置伺服开环增益。 加速转矩开始减小时的转速如下： （2）按指数曲线加速 电机按指数曲线加速时的加速转矩曲线 此时，速度为零的转矩To可由下面公式给出： （N.m） 式中， 为指数曲线加速时间常数。 （3）输入阶段性速度指令 这时的加速转矩Ta相当于To，可由下面公式求得（ts=Ks）。 （N.m） 6、根据电机转矩均方根值选择电机 工作机械频繁启动，制动时所需转矩，当工作机械作频繁启动，制动时，必须检查电机是否过热，为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电机的连续转矩。电机的均方根值由下式给出： 式中， 为加速转矩（Nm）； 为摩擦转矩（Nm）；在停止期间的转矩（Nm）； ， ， ， 如下图所示。 的转矩曲线 负载周期性变化的转矩计算，也需要计算出一个周期中的转矩均方根值，且该值小于额定转矩。这样电机才不会过热，正常工作。 负载周期性变化的转矩计算图 设计时进给伺服电机的选择原则是：首先根据转矩－速度特性曲线检查负载转矩，加减速转矩是否满足要求，然后对负载惯量进行校合，对要求频繁起动、制动的电机还应对其转矩均方根进行校合，这样选择出来的电机才能既满足要求，又可避免由于电机选择偏大而引起的问题。 8、伺服电机选择的步骤、方法以及公式 （1）决定运行方式 根据机械系统的控制内容，决定电机运行方式，启动时间ta、减速时间td由实际情况合机械刚度决定。 典型运行方式 （2）计算负载换算到电机轴上的转动惯量GD2 为了计算启动转矩 ，要先求出负载的转动惯量： 式中，L为圆柱体的长cm；D为圆柱体的直径cm。 式中， 为负载侧齿轮厚度； 为负载侧齿轮直径； 为电机侧齿轮厚度；为电机侧齿轮直径； 为材料密度；为负载转动惯量（kg.m2）； 为负载轴转速rpm；为电机轴转速rpm； 为减速比。 （3）初选电机 计算电机稳定运行时的功率Po以及转矩TL。TL为折算到电机轴上的负载转矩： 式中， 为机械系统的效率； 负载轴转矩。 （4）核算加减速时间或加减速功率 对初选电机根据机械系统的要求，核算加减速时间，必须小于机械系统要求值。 加速时间： 减速时间： 上两式中使用电机的机械数值求出，故求出加入起动信号后的时间，必须加算作为控制电路滞后的时间5～10ms。负载加速转矩可由起动时间求出，若大于初选电机的额定转矩，但小于电机的瞬时最大转矩（5～10倍额定转矩），也可以认为电机初选合适。 （5）考虑工作循环与占空因素的实效转矩计算 在机器人等激烈工作场合，不能忽略加减速超过额定电流这一影响，则需要以占空因素求实效转矩。该值在初选电机额定转矩以下，则选择电机合适。以典型运行方式中图a为例： 式中， 为起动时间s； 为正常运行时间s； 为减速时间s； 为波形系数。若不满足额定转矩式，需要提高电机容量，再次核算。 伺服控制的三种模式 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 。想知道的就是这三种控制方式具体根据什么来选择的? 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。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。 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，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。 对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才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 换一种说法是： 1、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更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位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、印刷机械等等。 3、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。 如何选择用伺服电机替代步进电机的方案？ 在具体应用场合，当终端负载稳定、动作简单、基本为低速运转时，选用成本低且容易控制的步进电机最为合适；但当终端负载波动范围较大、动作简单、基本为低速运转时，如果选择了步进电机，则会面临一系列烦恼，因为采用方波驱动的步进电机难以消除振动和噪音，并会因为力矩波动而产生失步或过冲。实际上，当终端负载波动范围较大时，即便基本为低速运转状态，也应该选用伺服电机，因为考虑了功效提高因素、节能因素、控制精度提高因素、系统稳定性增加等因素之后，会发现选用价格较高的伺服电机反而提高了综合成本。 用伺服电机替代步进电机时应注意哪些问题呢？ 1、为了保证控制系统改变不大，应选用数字式伺服系统，可仍采用原来的脉冲控制方式； 2、由于伺服电机的过载能力强，可以参照原步进电机额定输出扭矩的1/3来确定伺服电机的额定扭矩； 3、因为伺服电机的额定转速比步进电机要高得多，最好增加减速装置，让伺服电机工作在接近额定转速下，这样也可以选择功率更小的电机，以降低成本。 当前伺服电机趋向步进化的具体表现： 1、小体积高功效：采用最新永磁材料及优化电机设计，使体积较小的电机也能产生很大的扭矩。同一型号电机与不同的驱动器匹配时，最大输出扭矩不同；相同体积电机采用不同绕组形式、不同磁极数时，输出功率也不相同； 2、抗冲击扭矩：最大扭矩能达到额定扭矩的若干倍； 3、采用高性能的磁性材料，高磁能积； 4、电机和驱动器上均可带有温度监视器。 伺服电机的几种制动方式 用户往往因为对电磁制动、再生制动、动态制动的作用混淆，选择了错误的配件。 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距离。 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。 电磁制动是通过机械装置锁住电机的轴。 三者的区别： (1)再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用，在故障、急停、电源断电时等情况下无法制动电机。动态制动器和电磁制动工作时不需电源。 (2)再生制动的工作是系统自动进行，而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。 (3)电磁制动一般在SV OFF后启动，否则可能造成放大器过载。动态制动器一般在SV OFF或主回路断电后启动，否则可能造成动态制动电阻过热。 选择配件的注意事项： (1) 有些系统如传送装置，升降装置等要求伺服电机能尽快停车。而在故障、急停、电源断电时伺服器没有再生制动无法对电机减速。同时系统的机械惯量又较大，这时需选用动态制动器动态制动器的选择要依据负载的轻重，电机的工作速度等。 (2) 有些系统要维持机械装置的静止位置需电机提供较大的输出转矩且停止的时间较长，如果使用伺服的自锁功能往往会造成电机过热或放大器过载。这种情况就要选择带电磁制动的电机。 (3) 三菱的伺服器都有内置的再生制动单元，但当再生制动较频繁时可能引起直流母线电压过高，这时需另配再生制动电阻。再生制动电阻是否需要另配，配多大的再生制动电阻可参照样本的使用说明。需要注意的是样本列表上的制动次数是电机在空载时的数据。实际选型中要先根据系统的负载惯量和样本上的电机惯量，算出惯量比。再以样本列表上的制动次数除以(惯量比+1)。这样得到的数据才是允许的制动次数。 步进电机系统与交流伺服电机系统的区别 步进电机是一种离散运动的装置，在目前国内数字控制系统中的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的发展，交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。在数字控制系统发展的大趋势下，运动控制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，现就二者在性能和应用方面的差别作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8；五相混合式步进电机的步距角一般为0.72 、0.36；反应式步进电机和一些高性能的混合式步进电机的步距角可以做到更小。例如北京四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角仅为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三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。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以北微生产的全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500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3