伺服的基础知识及简单应用课件.ppt

1、第一章 什么是伺服1.1伺服的作用位置控制速度控制转矩控制可正确地移动到指定位置，或停止在指定位置。位置精度有的已可达到微米（m：千分之一毫米）以内，还能进行频繁的起动、停止。目标速度变化时，也可快速响应。即使负载变化，也可最大限度地缩小与目标速度的差异。能实现在宽广的速度范围内连续运行。即使负载变化，也可根据指定转矩正确运行。转矩是使转轴旋转的“力”。未了实现既灵敏又高精度的动作，始终确认自己的动作状态，避免与指令发生偏差而不断进行反馈(feed back），这就是伺服机构的特点。如何进行控制以缩小指令信号与反馈信号之差至关重要。JIS中“伺服机构”的定义：“以物体的位置、方位、姿势等作为控

2、制量，为跟踪目标的任何变化而构建的控制系统”伺服机构大致由下列各部分组成。指令部发出动作的指令信号。控制部使电机等按照指令运行。驱动，检测部驱动控制对象，对其运行状态进行检测。实际的机构虽然也有液压式和气压式的，但最近广泛使用维护性能优良的电气式伺服机构。电气式伺服机构中尤其与FA相关的精密控制中，经常使用AC伺服系统。而且，伺服电机常带有可检测旋转角度、速度和方向的编码器，它可将检测信息反馈给伺服放大器（控制部）。指令部 1控制部 2驱动，检测部 3控制器 伺服放大器 伺服电机 指令信号 供给电能 第一章 什么是伺服1.1.1 伺服的作用普通的伺服电机有SM（同步）型AC伺服电机、IM（感应

3、）型AC伺服电机和DC伺服电机3种。与FA相关的伺服电机,尤其是需求量大的中、小容量,由于下列原因通常说到伺服一般都是指SM型AC伺服电机。第一章 什么是伺服1.1.2 伺服电机的种类无需维护DC伺服电机的整流电刷需要进行维护、检查。环境性能因DC伺服电机会产生电刷粉末，故不能用于有洁净要求的环境。停电时的发电制动 IM型AC伺服电机由于没有永久磁铁，停电时不能发电制动。第一章 什么是伺服1.1.2 伺服电机的种类种类结构特点优点缺点SM（同步）型AC伺服电机 无需维护。环境适应能力强。可输出大转矩。停电时可进行发电制动。小型、轻量。功率变化率大。伺服放大器比DC电机用的略微复杂。电机与伺服放

4、大器必须一对一使用。永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱。IM（感应）型AC伺服电机无需维护。环境适应能力强。可输出高速、大转矩。大容量机型效率高。小容量机型的低效率伺服放大器比DC电机用的略微复杂。停电时不能发电制动。特性随温度而波动。DC伺服电机 伺服放大器结构简单。停电时可进行发电制动。小容量机型价格低必须对整流子部位进行维护和定期检查。因DC伺服电机会产生电刷粉末，故不能用于有洁净要求的环境。因电刷的缘故，不适于高速、大转矩用途。永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱。增量编码器与绝对编码器最新的伺服电机多采用停电后无需进行原点复归的绝对编码器。绝对编码器中有检测电机旋转1圈内所处位置的绝对位置检测部和

5、计算旋转了几圈的多圈检测部。为了防止多圈检测数据在停电时丢失，由电池维持数据。下图为光学式编码器的原理说明。最近，各公司已对分辨率极高（也有超过100万脉冲/转）的编码器实现了产品化。通常，光学式编码器用于追求小型化或高分辨率等特性的应用领域，在特别追求耐环境性能（耐污染性能强等）的应用领域，有时也使用磁力式编码器。第一章 什么是伺服1.1.3 编码器的种类项目增量编码器（Incremental Encoder）绝对编码器（Absolute Encoder）输出内容 输出相对值。针对旋转角的变化量输出脉冲。输出绝对值。输出旋转角度的绝对值。停止时的应对接通电源时需要原点复归动作。接通电源时无需

6、原点复归动作。价格结构较简单，价格低。结构较复杂，价格高。结构补充说明该装置的旋转圆盘上设有很多光学槽，使发光二极管的光通过固定槽，再利用光电二极管检测该光束，并将槽的位置转换为电信号。在电机轴上安装绝对编码器，即可随时检测电机轴的固定位置。由于不需要脉冲计数，故接通电源时无需原点复归动作。由于具有通用性，伺服机构的应用领域非常广泛。譬如，计算机的DVD驱动器、HD驱动器、复印机的送纸机构、数码摄像机的录像带传送机构等，从与生活密切相关的领域到飞机的控制机构、天文望远镜的驱动机构等，更不用说工业领域，伺服无处不在。下面以FA领域为对象，列举部分AC伺服的应用示例。80年代出现的AC伺服通过在数

7、控（NC）和机器人领域中的应用实绩，脱颖而出一举成为FA相关的变速驱动器的主角。到了90年代，由于逐渐从液压式过渡到电动式扩大了市场范围，AC伺服的应用领域更加广泛了。最近，随着移动通信等信息技术（IT）的进步，与半导体制造、电子零件组装、液晶产品等相关领域的实际应用取得了飞跃性的增长。(1)搬运设备(2)卷材设备(3)食品设备(4)半导体设备(5)注塑成型机设备(6)电子零件组装设备第一章 什么是伺服1.2 伺服的应用示例 在工业高度发达、自动化不断进步的今天，搬运设备已成为许多领域不可或缺的项目。第一章 什么是伺服1.2.1 搬运控制 搬运机（垂直)自动仓库分拣系统由于导入了伺服机构，可提

8、高机械速度、从而提高生产效率。可在指定位置正确停止。采用带电磁制动器的伺服电机，可防止停电时货物下降自动仓库分拣系统 在自动仓库中，分拣部和行走部已越来越多地采用AC伺服电机，以满足高速化需求。由于采用了AC伺服电机，可实现高速运行以及平稳的加速、减速。与SCM（供应链管理）相结合的自动仓库分拣系统从原料采购到商品发送等各个环节，可大幅提高物流库存管理的效率。处理纸、薄膜等超长材料（卷材）的设备，也称为卷筒。大致可分为开卷、加工和卷绕。加工处理随应用领域（纵向剪切机、层压机、印刷）而异，但整个机构基本相同。常规机构图：第一章 什么是伺服1.2.2 卷材设备 纵向剪切机层压机纵向剪切机是将经过加

9、工部处理的卷材在最终工序卷绕部进行裁切的机械。控制张力的同时，用裁切器正确地裁切是关键。层压机是使多张薄膜重叠在一起的设备。控制张力的同时，正确调整压力使之均匀叠合是关键。随着对食品处理要求的不断提高，高品质且安全的食品加工的需求越来越迫切。在这样的形势下，伺服机构在食品加工领域的应用不断取得进展。第一章 什么是伺服1.2.3 食品设备 灌装机流水线包装机流水线灌装流水线 将不同产品、不同容量的液体高速灌入各种形状的瓶子。可以根据瓶子的形状，控制灌入速度，将液体灌入到指定量而不起泡。用薄膜卫生且正确地包装食品时，也用到伺服机构。使用卷筒形状的薄膜，根据各种食品的大小进行包装后，切割成正确的尺寸

10、并分离薄膜是技术的关键。半导体制造工艺属于亚微米级的精细加工。因此，需要精密的加工精度和洁净的环境。为了达到上述要求，广泛采用伺服系统。半导体技术日新月异，对于伺服技术的要求也越来越高。第一章 什么是伺服1.2.4 半导体设备 旋转台清洗晶片晶片探针制作半导体回路时，要用到“照相原理”。将感光剂（抗蚀液）涂在半导体晶片上的工序就是旋转台。其原理是使抗蚀液滴下并利用离心力使液体薄薄地扩展。如果晶片转速过快，会导致抗蚀液飞散。反之，如果转速过慢，则无法均匀地涂覆抗蚀液。半导体制造工序中，由于利用了“照相原理”，因此在制造过程中需要多次清洗晶片。将晶片浸在药水或水（纯净水）中，溶解污染物、进行中和、

11、冲洗、干燥。晶片处理方法有2种：一次集中数块晶片，以盒为单位进行处理的“批量处理”；以及每次处理1块晶片的“单片处理”。1块晶片可制作许多LSI芯片，组装前需用晶片探针和万用表以芯片为单位进行检测。探针要接触芯片，因此必须进行正确的定位，而且还要求高速定位。注塑成型机是制造塑料零件时使用的设备。将经过加热熔融的塑料原料注射到模具内，固化后得到成型产品。以前主要采用液压控制，而现在为了节能，采用AC伺服系统也多起来了。第一章 什么是伺服1.2.5 注塑成型设备 注塑成型机加热器位于由油缸和螺杆轴组成的部位，颗粒状的塑料原料经加热器加热、熔融后被注射到模具中。接着经过冷却工序，开模后由推杆顶出成型

12、产品。合模力很大，大型产品的用途中，合模力甚至超过3000吨。第一章 什么是伺服1.2.6 电子零件组装设备 装配机插片机电路板检测将电子零件（IC芯片、电阻、电容器等）安装在印刷电路板上。要求正确的定位和高速性能。检查电子零件（IC芯片、电阻、电容器等）是否已正确牢固地安装在印刷电路板上。有时还要对电路板进行检测。伺服系统的最大特点是“比较指令值与当前值，为了缩小该误差”进行反馈控制。反馈控制中，确认机械（控制对象）是否忠实地按照指令进行跟踪，有误差（偏差）时改变控制内容，并将这一过程进行反复控制，以到达目标。注意到该控制流程是：误差当前值误差，形成一个闭合的环，因此也称为闭环（CLOSED

13、 LOOP）；反之，无反馈的方式，则称为开环（OPEN LOOP）。第一章 什么是伺服1.3 伺服的原理和构成 根据指令值的不同，伺服系统的控制模式有以下3种。(1)位置控制模式(2)速度控制模式(3)转矩控制模式有的伺服产品，还可在运行过程中切换模式。从速度控制模式切换到转矩控制模式 卷筒开始卷绕时以指定速度（速度控制模式）运行。之后为了以恒定张力卷绕，按转矩控制模式运行。列此外，最近有一种称为“运动控制”的控制方式也开始被采用，它适用于由1台控制器对多个轴进行同时控制的多轴同步控制。从信号的流程着眼，伺服的构成如下图所示。第一章 什么是伺服1.3.1 伺服的控制环 在AC伺服系统中，对装在

14、伺服电机上的编码器所发出的脉冲信号或伺服电机的电流进行检测，将结果反馈至伺服放大器，并根据这个结果按照指令来控制机械。该反馈有以下3种环。位置环根据编码器脉冲生成的位置反馈信号，进行位置控制的环。速度环根据编码器脉冲生成的速度反馈信号，进行速度控制的环。电流环检测伺服放大器的电流，根据生成的电流反馈信号，进行转矩控制的环。各环都朝着使指令信号与反馈信号之差为零的目标进行控制。各环的响应速度按下述顺序渐高（位置环）（速度环）（电流环）位置控制模式 位置环、速度环、电流环 速度控制模式 速度环、电流环 转矩控制模式电流环（但是,空载状态下必须限制速度）。控制模式 使用的环（a）定位控制的目标 FA

15、设备中的“定位”是指工件或工具（钻头、铣刀）等以合适的速度向着目标位置移动，并高精度地停止在目标位置。这样的控制称为“定位控制”。可以说伺服系统主要用来实现这种“定位控制”的目的。第一章 什么是伺服1.3.2 位置控制模式 定位控制的要求是“始终正确地监视电机的旋转状态”，为了达到此目的而使用检测伺服电机旋转状态的编码器。而且，为了使其具有迅速跟踪指令的能力，伺服电机选用体现电机动力性能的起动转矩大而电机本身惯性小的专用电机。(b)定位控制基本特点 伺服系统的定位控制基本特点如下所述。机械的移动量与指令脉冲的总数成正比。机械的速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比。最终在1个脉冲的范围内定位

16、即完成，此后只要不改变位置指令，则始终保持在该位置。（伺服锁定功能）第一章 什么是伺服1.3.2 位置控制模式 因此，伺服系统中的位置精度由以下各项决定。伺服电机每转1圈机械的移动量 伺服电机每转1圈编码器输出的脉冲数 机械系统中的间隙（松动）等误差 伺服系统的速度控制特点：可实现“精细、速度范围宽、速度波动小”的运行。(a)软起动、软停止功能 第一章 什么是伺服1.3.3 速度控制模式 可调整加减速运动中的加速度（速度变化率），避免加速、减速时的冲击。(b)速度控制范围宽 可进行从微速到高速的宽范围的速度控制。（1：10005000左右）速度控制范围内为恒转矩特性。(c)速度变化率小 即使负

17、载有变化，也可进行小速度波动的运行。转矩控制就是通过控制伺服电机的电流，以达到输出目标转矩的控制。以收卷控制为例第一章 什么是伺服1.3.4 转矩控制模式 a)进行恒定的张力控制时，由于负载转矩会因收卷滚筒半径的增大而增加，因此，需据此对伺服电机的输出转矩进行控制。b)卷绕过程中材料断裂时，将因负载变轻而高速旋转，因此，必须设定速度限制值。（通用）变频器与（通用）伺服在使用目的、功能方面存在本质上的差异。选择哪一个取决于运行模式、负载条件、价格等因素。第二章 变频器与伺服有什么区别？2.1 用途、规格的区别 比较项目（通用）变频器（通用）变伺服控制用途 控制对象为比较缓和的稳定状态。要求进行过

18、渡性的高速、高精度控制的用途。控制功能基本上以速度控制模式为对象。适用于位置控制、速度控制和转矩控制的各种模式。使用电机 使用通用（感应）电机。基本上根据与伺服放大器的关系有专用的固定的几种类型。多台电机的运行 1台变频器可驱动多台电机。原则上1台伺服放大器驱动1台电机。价格（比较）低。（比较）高。响应性能（越高越好）低。30rad/s以下。高。2001500rad/s左右。停止精度 最高可达100m左右。最高可达1m左右。起动/停止频率（可起动/停止的次数）20次/分钟以下。20600次/分钟左右。速度变化率 大。由于没有速度反馈，会受到负载变化等的影响。小。由于有速度反馈，可排除负载变化等

19、的影响。连续运行范围（100负载下连续运行）小。1：10左右。大。1：5000左右。最大转矩（额定转矩比）150左右。300左右。输出功率 100W300KW左右。10W60KW左右。大致分为进行电力变换的主回路和指示如何进行变换的控制回路。第二章 变频器与伺服有什么区别？2.2 基本构成的比较 主回路变频器与伺服的构成基本相同。两者的区别在于伺服中增加了称为动态制动器的部件。停止时该部件能吸收伺服电机积蓄的惯性能量，对伺服电机进行制动。发出动作的指令信号。控制回路与变频器相比，伺服的构成相当复杂。为了实现伺服机构，需要复杂的反馈、控制模式切换、限制（电流/速度/转矩）等功能。(1)变频器的基

20、本构成 各部分的作用如下。整流器部 将工频电源从交流转换为直流。平滑回路部 使直流中的波动成分变得平滑。逆变器部 将直流转换为频率可调的交流。制御回路部 主要控制逆变器部。（2）伺服的各基本构成部分作用如下。第二章 变频器与伺服有什么区别？2.2 基本构成的比较 l整流器部 将工频电源从交流转换为直流。（与变频器相同）l平滑回路部 使直流中的波动成分变得平滑。（与变频器相同）l逆变器部 将直流转换为频率可调的交流。与变频器的区别在于伺服中增加了称 为动态制动器的部件。l控制回路部 主要控制逆变器部。与变频器相比，伺服的构成相当复杂。因为伺服 机构需要反馈、控制模式切换、限制（电流/速度/转矩）

21、等功能。基本上伺服的性能比变频器优越。因此，由变频器变更为伺服时，一般不会产生运行方面的问题。但是，必须考虑下列几点。第二章 变频器与伺服有什么区别？2.3 由变频器变更为伺服(1)机械侧的刚性伺服的最大转矩大约是变频器的2倍。因此，如果机械结构比较脆弱，加、减速时可能会产生振动（振荡现象）。此时，须采取加固机械结构、减小伺服系统的增益（控制灵敏度）等措施。三菱电机的某些伺服产品在伺服放大器控制环路中内置了滤波器功能，在机械容易振动的频率（共振频率）附近能自动调小伺服系统的增益，使设备具有抑制振动的功能(2)换算到电机轴的负载惯性大小（惯性）与变频器相比，伺服对于负载惯性的大小很敏感。相对于电机本身的转动惯量，如果负载的转动惯量过大，则电机轴会被负载拖着旋转，从而导致控制不稳定。因此，根据机械负载选择合适的伺服容量至关重要。以稳定性为目标，相对于电机本身的转动惯量，希望负载转动惯量（换算到电机轴）的倍数小于该电机的“推荐负载转动惯量比”。第二章 变频器与伺服有什么区别？2.3 由变频器变更为伺服(3)电机轴的振动 安装电机的部位发生机械性振动时，会给电机的转轴带来影响。尤其对内置编码器的伺服电机，有时必须采取降低振动的措施。(4)减速机构的打滑 有V形带减速机构的系统，为了使皮带传动部分不打滑，必须采取一些措施，如同步带等。OVER