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1、伺服系统系统简介1.伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置伺服系统分类输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。2.开环系统主要由驱动电路，执行元件和机床3 大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，
2、在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。2.1 开环系统2.2 闭环系统闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5 部分组成。其构成框图如图 2 所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。比较环节
3、的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差， 经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统 3 种。由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。伺服系统组成3.反馈
4、装置3.1.1 水平位移传感器光栅位移传感器3.1光栅传感器由光源、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成莫尔条纹。 感应同步器感应同步器由两个印刷电路绕组构成，类似于变压器的初、次级绕组，又称平面变压器。 相对位移会引起两个绕组间的互感量变化，因此可以测量位移。 磁栅式位移传感器在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中会产生感应电压。X0 。A三0s I s巳N Uf二lssJ一出 信 号75l 磁性
5、膜 2 基体6 沥电磁励3 磁尺4 磁头5一铁芯6一励磁绕组7 拾磁绕组3.1.2 角位移传感器旋转变压器旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成 90。在转子上有两个输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成 90，一般将其中一个绕组（如 Z1、Z2）短接。光电编码器 绝对值编码器四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为 24=16 个。每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。分辨率为360/2n。增量编码器一般只有三个码道，不直
6、接输出编码。 外码道产生计数脉冲的增量码道；内码道 辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同。中间码道开有一个窄缝，用于产生定位或零位信号。3.1.3 速度加速度传感器 直流测速发电机测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。如图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。 光电式速度传感器物体以速度V 通过光电池的遮挡板时，光电池输出电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔t，则可测得速度为加速度传感器电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构
7、成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小， 在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。功率驱动装置3.2执行装置3.33.3.1 电压式 交流伺服电机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） 直流
8、伺服电机 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。 电磁铁电磁铁由线圈与衔铁两部分组成，结构简单。由于是单向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固点之间的快速驱动，如各种电磁开关。3.3.2 液压式 液压缸
9、液压马达3.3.3 气压式 气压缸 气压马达执行装置3.4伺服系统产品4.4.1 西门子伺服产品4.2 AB 伺服产品4.2.1 伺服驱动器 Kinetix 3 组合伺服驱动器技术参数通讯连接Ultra1500 单轴伺服驱动器系统参数通讯连接Kinetix 2000 低功率多轴伺服驱动器通讯连接Kinetix 6000 多轴伺服驱动器通讯连接Kinetix 6000M 集成的驱动器电机系统通讯连接4.2.2 伺服电机旋转电机F-Series 铁氧体磁体伺服电机Bulletin 1398 F-Series 伺服电机适用于要求平滑移动大型负载的应用项目。这些中等惯量电机提供紧凑型设计和高惯量匹配功
10、能。它们使用带有 5000 线选件的光电 2000 线增量编码器，以便通过我们的 Ultra 系列伺服驱动器实现卓越的低速性能。电机安装了可选的电机轴密封，满足 IEC 标准的 IP65 要求。HPK-Series 大功率伺服电机Bulletin HPK-Series 大功率异步电机将大功率与精确定位功能相结合。这些电机采用针对伺服控制优化并结合有高分辨率反馈的绕组，来提供应用项目所需的精度。它们基于经过验证的感应电机技术而构建，可在苛刻的应用项目中提供高可靠性和耐用性。MP-Series 高性能伺服电机我们的 MP-Series 伺服电机可满足特定环境的要求。Bulletin MPL 低惯量
11、电机、Bulletin MPM 中等惯量电机、Bulletin MPF 食品级电机以及 Bulletin MPS 不锈钢电机具有高性能， 且专为满足您的独特应用项目需求而开发。RDD-Series Direct Drive 伺服电机Bulletin RDD-Series 伺服电机可与负载直接相连，无需变速箱、同步齿行带、皮带轮及其他机械部件。结果是能源消耗降低，稳定时间缩短，负载的总体控制更佳。TL-Series 紧凑型伺服电机我们的 Bulletin TLY TL-Series 伺服电机是面向需要低惯量、高性能伺服电机的机器设计者的重要解决方案。230V 电机体积小巧，功率较高，具有出色的定
12、子设计和高转矩密度。这些电机包括高分辨率绝对式编码器和 2000 线增量编码器。直线电机LDC-Series 和 LDL-Series 直线电机Bulletin LDC-Series 和 LDL-Series 直线伺服电机以超高速提供精确的直线定位。Direct Drive 直线电机直接连接到需要移动的负载。此直接连接具备出色的伺服响应性， 从而缩短任何移动的稳定时间。LDL-Series 是无铁设计，适合需要非常平滑的运动（如扫描或打印）的应用项目。LDC-Series 是强力密度铁芯设计，适用于较小、较便宜的电机。MP-Series 与 TL-Series 电动缸Bulletin MPAR
13、 MP-Series 和 TLAR TL-Series 电动缸针对一系列直线运动控制应用项目提供动态、精确的响应。这些缸使用 RSLogix 5000 软件（20 或更早版本），以精确的定位、速度或力来进行伸展和收缩。工业标准的安装件和端部执行器附加件有助于简化组装， 并缩短机械设计工程、接线和调试时间。MP-Series 重载型电动缸Bulletin MPAI MP-Series 重载型电动缸是紧凑、轻型、出力大的执行器，可以取代液压解决方案，且比液压解决方案经济实用。入手即装的电动缸节省能源，可帮助提供机器灵活性，包括精确的多点定位。MP-Series 集成直线运动平台Bulletin M
14、PAS MP-Series 集成直线运动平台可支持重载，并可承受力矩负载。这些执行器对于清洁环境中的高精度应用非常理想。它们是采用滚珠丝杠和直线电机技术设计的。MP-Series 集成多轴平台集成直线推进器Bulletin MPMA MP-Series 集成多轴平台作为执行器，提供了一种开箱即用的解决方案， 可实现精确的二维定位和速度。由于设计十分灵活，您可在上面或下面放置平台，并将其与RSLogix 5000 软件（20 或更早版本）集成，从而实现快速、轻松的调试。Bulletin LDAT 集成直线推进器提供了开箱即用的高速、载荷直线运动控制功能，并能够推、拉或携带负载。 它们是可靠的线性
15、执行机构，具有较高速度和加速度以及峰值推力并采用直接驱动技术，可帮助最大限度地提高性能和可靠性。4.2.3 编码器绝对式编码器 多匝磁绝对式编码器Bulletin 842A 多匝磁编码器是 25 位的绝对多匝轴编码器。每匝最多可提供 8192 个脉冲，或最多提供 8192 圈。它使用名为同步串行接口 (SSI) 的技术仅通过 5 条线便可提供 24位分辨率。842A 编码器的同步串行接口输出可通过多种不同方式相接。DeviceNet 多匝磁绝对式编码器Bulletin 842D DeviceNet 多匝磁编码器是 26 位的绝对多匝轴编码器，它直接连接至DeviceNet。此网络功能使您无需使
16、用专用输入卡。它使用五针微型快速分离器连接至DeviceNet 干线。通过单个网络连接，最多可将 63 个 842D DeviceNet 编码器与一个 PLC 或其他逻辑系统相接。正弦/余弦绝对式编码器Bulletin 842HR 正弦/余弦编码器是 15 位串口编码器，用于要求对位置控制的绝对值反馈以及对转速控制的高分辨率增量式反馈的高性能数字式伺服驱动器系统。此编码器将通信、速度调节和位置控制都集成到一个设备中。增量式编码器空心轴增量光电编码器Bulletin 844A 空心轴增量式编码器为您提供空心轴安装的优势：集成的灵活安装，使您不再需要单独的柔性联轴节和安装板。844A 编码器标配通
17、道 A、B 和 Z 以及差分线驱动器(DLD) 输出。高频增量光电编码器Bulletin 844D 盲轴和全通轴增量编码器通过编码器上的一个分开的卡圈直接安装在被监视的轴上，从而不再需要安装板和柔性联轴节。安装全通轴型号时，将受监视的轴完全插入编码器，而盲轴型号只要求插入轴的末端。4.3 台达伺服产品ASDA-M 系列台达电子交流伺服系统ASDA-M 系列，以伺服系统全新的前卫思考与应用方式。不再只是单纯的伺服系统，而是三轴运动控制器与伺服驱动器的完美系统结合。卓越的交流伺服系统ASDA-M 系列，继承了ASDA-A2 系列的所有优点，如高解析、高响应、内建电子凸轮功能、创新的内部命令模式、自
18、动高低频抑振功能、内建摩擦力补偿及全闭回路控制之外，添加了许多的亮眼元素与进步设计，超越了单机的思考方式。交流伺服系统ASDA-M 系列将三台伺服融合在同一机座内，三轴同动控制，轴间交换数据完全没有时间延迟问题，可以直接在驱动器内进行直线、圆弧、与螺旋的补间控制(ASD-M-R 内建小型PLC 功能，强化顺序控制与二次开发功能)，新的龙门控制架构，精准同步，可以用于纯刚性连接的机构，而软件具备简易的循圆分析，可强化系统问题的诊断能力，内建G-code 解释器，可以扩展运动命令来源。ASDA-M 是三轴专用机及高度整合型系统的最佳选择。通讯接口与台达高速DMCNET 10M 高速通讯的整合，让上
19、位通讯式轴卡 PCI-DMC-A01 搭配 12 组的三轴运动控制器与伺服驱动器ASDA-M 系列伺服时，将发挥至 12 组三轴伺服 独立运作 (stand-alone) 的极致效能。ASDA-A2 系列针对现今工控市场对于运动控制的高性能标准要求，满足设备开发商和系统整合商对于精准定位控制的渴望，台达电子秉持着精益求精的态度，推出 ASDA-A2 高机能型伺服驱动系列产品。内建运动控制模式，支持多种轴控操作需求，完全取代中型PLC 的 Motion 功能；内含电子凸轮功能（CAM function），便利机台之行程规划；ASDA-A2 符合新型化的伺服产品发展，速度循环的响应频率为 1kHz
20、，搭配 20-bit 分辨率编码器，提供精准定位及平顺控制特色。台达电子ASDA-A2 系列伺服驱动器，绝对是您在跨进高阶控制领域的第一选择ASDA-A+系列本系列是台达进阶泛用型的交流伺服驱动产品。ASDA-A+提供了由 3kW 到 7.5kW 的中高惯量伺服马达选择(额定 19.1 N.m 47.74 N.m)；搭配 20-bit (1280000 PPR)增量型光壆编码器，对于需要高精度加工的产业，或是需要较高应答性的功能，能够提供更精准的控制。与ASDA-A/AB 系列机种共同提供完整的台达伺服产品线(100W 到 7.5kW)。本机种针对需要高扭力应用环境提供了多样化的选择。ASDA
21、-AB 系列本系列是台达进阶泛用型之伺服驱动产品。支持低、中、高三种惯量之伺服马达，可解决客户在不同扭力应用上的需求。提供与ASDA-A 系列相同的多种应用功能, 便利客户在不同产业应用上使用，或是不同机型的性能提升。支持标准Modbus 通讯读写，可与台达PLC, HMI 构成通讯控制架构。本机种可适用于各式机械加工行业或产业机械。BLDCM功率范围:250W转速范围:600 转/分方波 PWM 控制模式，霍尔感测回授低温升、高效率、省能源体积小、省空间、易安装维护容易，低噪音及电磁波干扰输出转矩恒定，易控制高效率范围比传统马达优越很多IBLM功率范围:250-750W转速范围:150-17
22、50 转/分方波 PWM 控制模式，霍尔感测回授维护容易，低噪音及电磁波干扰转矩输出恒定，易控制高效率范围比传统马达优越很多整合驱动器，具有数字 I/O 及 RS 485 通讯过电流，过电压及过载保护ROE-E 系列本系列产品的运作原理，是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相对应的脉冲数量，具有体积小，精度高，工作可靠,；常用于侦测速度、转动方向与移动角度。 ES（实心轴）EH（中空轴）ET（贯穿轴） ROE-A 系列本系列产品的运作原理，是透过旋转 360 度的光电码读取，进行讯号的格雷码（Gray Code）；相较于其他类型的编码器，其优点是由光电码
23、盘的机械位置决定的每个位置，,无需寻找参考点便可知绝对位置。AS（实心轴）AH（中空轴） ROE-M 系列本系列产品专门针对伺服马达而设计，除输出A、B、Z 相信号外，具有检测伺服马达磁极位置的 U、V、W 相位的换相信号(Commutation signals)信号，有 4、6、8、10 对磁极数可供选择。MH（中空轴）MT（贯穿轴） ROE-C 系列为符合CNC 业在编码器使用上的需求，推出一款 CNC 专属之编码器 CS7. 除针对工具机一般常高震动及高油气的问题作机构的调整，在电气规格部分，CS7 也做高规格的动；将其对应转速提升到 8000rpm，信号输出的频响应为 300kHZ。以
24、达到 CNC 工具机械的要求。4.4 三菱伺服产品MR-J3 系列伺服放大器三菱通用交流伺服放大器MR-J3 系列是在MR-J2S 系列的基础上开发的具有更高性能和更高功能的伺服系统，其控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制以及它们之间的切换控制方式可供选者。该伺服放大器应用领域广泛，不但可以用于机械工具和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用，也可用于线性控制和张力控制的领域。该产品具有USB 和 RS-422 串行通讯功能，通过安装有伺服设置软件的个人计算机就能进行参数设定，试运行，状态显示监控和增益调整等操作，该产品具有高水平自整定功能和高级振动抑制控制功能。与MR-J3
25、系列配套的高性能伺服电机编码器采用了分辨率为262144 脉冲/转的绝对位置编码器，速度环路频率响应提高到900HZ，具有高速/大转矩特性，所以比MR-J2S 系列具有进行更高精度控制的能力。多种系列伺服马达适应不同控制需求，马达上的编码器均支持 ABS 模式，只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统。功能更强的伺服设置软件MR-configurator 使用更为方便，具有精确的机械分析功能。MR-ES 系列伺服放大器菱通用AC 伺服MR-ES 系列是在MR-J2S 系列的基础上开发的，保持了高性能但是限定了功能的 AC 伺服系列。MR-ES 系列从控制模式上又可分成MR-E-A-KH
26、003（位置控制模式和速度控制模式）， MR-E-AG-KH003（模拟量输入的速度 控制模式和转矩控制模式）。MR-ES 系列的配套伺服电机的最新编码器采用131072 脉冲/转分辨率的增量位置编码器MR-J2S 系列伺服放大器三菱通用交流伺服放大器MR-J2S 系列是在MR-J2 系列的基础上开发的具有更高性能和更高功能的伺服系统，其控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制以及它们之间的切换控制方式可供选者。该伺服放大器应用领域广泛，不但可以用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用，也可用于速度控制和张力控制的领域。该产品还有RS-232 和 RS-422 串行通讯功能，通过安装有伺服设置软件的个人计算机就能进行参数设定，试运行，状态显示和增益调整等操作。与MR-J2S系列配套的伺服电机编码器采用了分辨率为131072 脉冲/转的绝对位置编码器，所以比MR-J2 系列具有进行更高精度控制的能力，采用高性能的CPU，大大提高产品的响应性，速度环路频率响应提高到 550HZ。多种系列伺服马达适应不同控制需求，马达上的编码器均支持ABS 模式，只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统。使用更为方便，具有优异的自动调谐性能，机械分析功能，可以轻松实现抑制机械振动，增益搜索功能，可以自动找出最佳增益值。