伺服电机的三种控制方式有哪些？带你解读伺服电机的工作原理

一、什么是伺服系统呢？及其三种控制方式。

以物体的位置、方向、速度等为控制量，以跟踪输入给定值的任意变化为目的，所构成的自动化闭环控制系统。

伺服系统是具有负反馈的闭环自动化控制系统，由控制器、伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。

伺服系统组成

伺服系统有三种控制方式，即转矩控制（电流环）、速度控制（电流环、速度环）、位置控制（电流环、速度环、位置环）。

转矩控制：通过外部模拟量的输入或者直接的地址的赋值来设定电机轴对外输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。

速度控制：通过模拟量的输入或者脉冲的频率对转动的速度进行控制。

位置控制：伺服中最常见的控制，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，所以一般应用于定位装置。

伺服电机的三种控制方式

二、伺服电机的三环控制方式的原理

大家都知道伺服大家有三种控制方式——转矩、速度、位置，那么这三种控制方式的原理都是什么呢？

1、首先是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

2、第二环是速度环，通过检测伺服电机编码器的信号进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置同时控制的系统实际也进行电流（转矩）控制以达到速度和位置的相应控制。

3、第三环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和伺服电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或者最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应也最慢。

伺服电机的三环控制方式的原理

二、影响控制的因素

1、速度环主要进行PI（比例和积分），比例就是增益，所以我们要对速度增益和速度积分进行合适的调节才能达到理想的效果。

2、位置环主要进行P（比例）调节。对此我们只要设定位置环的比例增益就好了。当进行位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环。位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，要根据外部负载的机械传动连接方式、负载的运动方式、负载惯量、对速度、加速度要求以及电机本身的转子惯量和输出惯量等等多条件来决定，调节的简单方法是在根据外部负载的情况进行大体经验的范围内将增益参数从小往大调，积分时间常数从大往小调，以不出现震动超调的稳态值为最佳值进行设定。

三、对于通过Profinet控制伺服系统中，两种不同性能是实时周期通讯RT和IRT概念区分：

PROFINET区分两类不同性能的实时周期通讯，一种是实时（RT=Real Time Communication）通讯，主要用于工厂自动化，这一类没有时间同步要求，一般只要求响应时间为 5-10ms。

另一种是等时同步实时（IRT=Isochronous Real Time Communication），主要用于有苛刻时间同步要求的场合例如运动控制，电子齿轮。

与此对应，PROFINET提供两类实时通讯 通道具体分为RT实时通道和IRT实时通道。另外还包括一个标准通讯通道，标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通讯通道,主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。

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伺服电机控制技术，结构原理选型编程，理论加实例讲解！

由于我们是从事工厂自动控制方面的设备维修、维护管理技术人员，主要是合理地选择和正确使用各种控制电机，因此今天着重阐述伺服电机的基本结构、工作原理、工作特性和使用方法。具体内容如下：

1 概述

2 伺服电机基本结构及原理

3 旋转磁场作用下的运行分析

4 伺服电机的机械特性及控制方式

5 交流伺服电机的应用

6 伺服电机选择及主要性能指标

一 概述

1.1 什么叫伺服电机

伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。

伺服电动机分为：1、交流伺服电动机；2、直流伺服电动机

1.2伺服电机最大特点

在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。

1.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点

(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。

(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。

(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。

1.4伺服电机在自控制系统中的典型应用

1.5伺服电动机典型生产厂家

德国西门子，产品外形有：

还有我说过多次的松下伺服

它们的样子大同小异。

二 伺服电机基本结构及原理

2.1基本结构

左侧为伺服驱动器，右侧为伺服电机，通常它们两者需要匹配固定的型号

2.2转子

(1) 笼型转子

铁芯槽内放铜条,端部用短路环形成一体,或铸铝形成转子绕组。

(2) 杯型转子纲

薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm。

2.2 异步电动机转动原理

当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。

三 旋转磁场作用下的运行分析

3.1伺服电机旋转磁场的产生

为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。

同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为。

3.3 伺服电机旋转磁场的速度

四 伺服电机的机械特性及控制方式

4.1伺服电机的机械特性

4.2 零信号时的机械特性和无“自转”现象

对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC＝0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N—S和N—S在空间以相反方向旋转。

当电阻已增大到使临界转差率＞1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S＝1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。

4.3伺服电机控制方式及特性

伺服电动机的机械特性

设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。

结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制

五 交流伺服电机的应用

5.1 伺服电机编码器

安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。

伺服电机控制精度取决于编码器精度。

5.2伺服电机驱动器

1、主要功能

（1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC；

（2）接收编码器的速度和位置信号；

（3）I/O信号接口

2、外部组成

3、控制模式（取决于伺服驱动器厂家，比如西门子有一些特殊的模式）

（1）位置控制模式——最大输入脉冲频率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于开路收集器）

（2）速度控制模式—— 模拟速度指令输入：0～±10V/额定转速

（3）力矩控制模式——模拟力矩指令输入：0～±10V/最大力矩

5.3交流伺服电机系统应用

5.3.1交流伺服电机系统结构

5.3.2交流伺服电机系统使用

1 、设置参数

方法一；联接计算机使用软件设置

方法二；直接在驱动器面板按钮设置

六 伺服电机的选择

1.6.1 功率的选择

功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。

1. 对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。

2. 对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。

6.1 种类和型式的选择

1. 种类的选择

一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。

2. 结构型式的选择

根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机

6.2 主要性能指标的选择

1．电压

技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土5％左右。电压太高，电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，会使电机过热。

控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场

2．频率

目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50 HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.35～0.5mm的硅钢片。

低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。

在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500 Hz、110V的电机，如果用在400 Hz时，那末加到电机上的电压就应改成110×400／500＝88V。

3．堵转转矩，堵转电流

定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。

堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。

4．空载转速

定干两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。

5．额定输出功率

当电机处于对称状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图78所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn。和额定转速nn。

七 西门子S7-200系列PLC编程

伺服电机的发脉冲控制

伺服电机的常用控制方法是利用PLC发送脉冲对伺服电机进行运动控制。

7.1脉冲控制的基础

脉冲： 一个周期内，一半时间高电平、一半时间低电平，称为一个完整周期的脉冲。脉冲控制就是由一系列n个连续的脉冲，如：伺服电机的设置（H0502 ）为电机转一圈需要1000个脉冲，则PLC发送给伺服电机1000个脉冲电机就会转一圈。

图 1个周期

图 5个周期

两个概念：

脉冲的周期T：一个脉冲所用的时间。

脉冲的频率f：频率f是周期T的倒数，脉冲的频率值的意义是：每1秒所产生的脉冲个数。频率值f越大，那么每秒产生的脉冲个数越多，则电机转的越快；频率值f越小，那么每秒产生的脉冲个数越少，则电机转的越慢。

因此，脉冲的频率值f也可以称作脉冲的速度。

用于控制伺服电机的脉冲：

脉冲控制的关键点：初始速度、加速段、匀速段、减速段、停止速度。

基于西门子S7-200PLC的脉冲控制

S7-200PLC的脉冲输出控制有两种方式：PWM模式和PTO，PTO模式用于控制步进电机、伺服电机。

PTO发脉冲分两种编程方式，PTO向导和一般语句编程。

PTO向导发送脉冲：

STEP1:选择S7-200内置PTO操作。

STEP2:选择用Q0.0或Q0.1输出脉冲

STEP3:选择PTO方式输出

STEP4：设置最大脉冲速度以及启动停止脉冲

STEP5：设置加减速段所需时间

STEP6：创建包络

例如:绘制一个三步的脉冲运动包络

STEP7：为运动包络设定存储区

STEP8：配置完成

向导配置完成后会为所选的配置生成三个子程序：

PTOx_RUN子程序（运行包络）

PTOx_CTRL子程序（控制）

PTOx_MAN子程序（手动模式）子程序。

（1）PTOx_RUN子程序

EN位：使能

START：脉冲输出触发

（2）PTOx_CTRL子程序：

EN位：使能

I_STOP：立即停止

D_STOP：减速停止

（3）PTOx_MAN子程序：

EN位：使能

RUN：命令PTO加速至指定速度——Speed

小 结：交流伺服电动机主要用于自动控制系统中作为执行元件。在介绍工作原理时，引出了圆形旋转磁场的概念。旋转磁场的转速称为同步速，它由电机的极数和电源频率所决定，关系式ns=60f/p是一个很重要的公式。

与其它电机一样，交流伺服电动机的运行也是由于“电”和“磁”的相互作用。在圆形磁场作用下，交流伺服电动机的转速总是低于同步速，而且随着负载的变化而变化，转差率s就是表征电机转速的一个很重要的物理量。

为了能方便地实现转速控制，伺服电动机的定子绕组做成两相绕组，并加以相移900的两相电压。通过改变控制电压的值就可达到控制转速的目的。

最后介绍了几点在使用电机时应注意的问题和主要性能指标和技术数据，可供大家选用电机时参考。

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