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伺服控制系统概述
伺服控制系统的结构与典型产品伺服系统的结构
伺服系统的分类
伺服系统的性能要求
伺服系统的主要特点
伺服放大器的典型产品
伺服控制系统在机床行业的应用
伺服控制系统在纺织行业的应用
项目伺服电动机与伺服测量系统伺服电动机基本理
永磁同步伺服电动机
导读：伺服系统（servo system）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。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
　　伺服系统（servo system）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。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。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。
　　伺服系统较初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面的几个目的：①以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。
　　伺服系统衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。图中是伺服系统的典型频率响应特性。通常取频率响应特性的对数幅频特性的值降到－3分贝时所对应的频率值ωb为系统的带宽（从坐标原点ω=0算起）。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机和旋转变压器等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
　　伺服系统 - 主要结构
　　伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。
　　主要特点
　　1、精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制；
　　2、有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种；
　　3、高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节；
　　4、宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。
　　技术要求
　　1、系统精度
　　伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成.
　　2、稳定性
　　伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力.
　　3、响应特性
　　响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等.
　　4、工作频率
　　工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号输入时,系统不能正常工作。

　　1 、开环系统
　　开环系统构成主要由驱动电路，执行元件和被控对象三大部分组成。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，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 、闭环系统
　　闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和被控对象五部分组成。在闭环系统中，检测元件将被控对象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、磁栅和编码器等。通常把安装在电机轴端的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在被控对象上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于电机轴端和被控对象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三种。
　　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。
　　3、直流伺服驱动与交流伺服驱动
　　70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个较大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。

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西门子控制器控制伺服电机分为简易型和专业型。
简易的就是CPU内置的运动控制软件功能块，编码器输入模块，模拟输出模块，伺服驱动器，伺服电机组成。因为CPU控制回路周期长，控制性能不高。
专业的是采用FM354 定位模块， CPU315T， CPU317T 加ADI4 控制带模拟输入速度给定的伺服驱动器和伺服电机。如果采用西门子带总线通讯的伺服驱动则只要CPU315T和CPU317T通过总线通讯就可以组成伺服系统了。
市场上还有很多优秀的运动控制的比如美国DELTA的多轴运动控制器和伺服驱动伺服电机组成伺服系统。
本文主要详解PLC控制伺服系统步骤，首先介绍了PLC工作原理以及PLC控制伺服电机3种方式，其次阐述了西门子PLC控制的伺服控制系统，具体的跟随小编一起来了解一下。
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从*一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回*一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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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较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。
以SINAMICS V80系统为例说明。SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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驱动器上有一个脉冲设置旋转开关用来设计脉冲分辨率以及指令脉冲类型的。本设计选择3，对应的分辨率是10000。驱动器的四个连接器X1、X2、X10和X20相应的功能如图3所示：
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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伺服电机控制系统的硬件组成如图 4 所示。S7-200根据要求发出高速脉冲和电机转动的方向信号，经过驱动器控制伺服电机旋转；电机旋转编码器的输出信号通过驱动器形成A 相和B 相正交信号，经信号转换以后作为S7-200 高速计数器的信号源，形成以S7-200 为处理器的闭环控制系统。伺服电机、伺服驱动器和S7-200PLC 之间采用屏蔽电缆连接。
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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在伺服电机运行设计时，考虑到伺服电机的平稳启停，设计了三段式脉冲方式，其示意图如5所示。脉冲是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是启动时速度从一个比较低的值上升到一个比较高的值，下降段是电机制动时速度从一个比较高的值一直减小到一个比较小的值，这样有利于保护电机。定义上升和下降段都是走一百个脉冲，则剩余需走的脉冲在恒速段高速走完。另外当需走的脉冲数少于两百个时，就以单段低速走，在每个脉冲子程序中都会先判断是以单段式走还是以三段式走。
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
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图5 三段式脉冲示意图
为了配合步进和伺服电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进和伺服电动机进行控制。
本节将重点讲解西门子S7-200 PLC脉冲输出功能和步进电动机的控制，伺服电动机的控制与步进电动机的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通过FM模块实现步进和伺服控制，思路与S7-200 PLC一致，本节不再介绍。
1. 脉冲输出（PLS）指令
脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表9-3所示。
2. 用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器
每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）、一个时间周期和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表9-4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。
3. Q0.0和Q0.1的共用
PTO/PWM生成器和输出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在Q0.0或Q0.1位置没有使用PTO或PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。
4. 线性脉冲串输出（PTO）
PTO可以实现占空比为1：2的高速脉冲串的输出，脉冲数和周期可以由用户定义。状态字节中的较高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时启动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时启动中断程序。
5. 脉宽可调脉冲（PWM）输出
PWM是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。
步进电动机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电动机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速→恒速（高速）→减速→恒速（低速）→停止。步进电动机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电动机的脉冲频率也要经过一个类似变化过程。步进电动机脉冲频率变化规律如图9-5所示。
1. 通过指令向导组态PTO
STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向导，可以帮助用户方便地完成PTO、PWM或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。
本小节通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向导来实现PTO控制步进电动机的具体操作过程。
PLC控制伺服系统步骤_西门子PLC控制的伺服控制系统详解
1. 通过指令向导组态PTO
STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向导，可以帮助用户方便地完成PTO、PWM或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。
本小节通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向导来实现PTO控制步进电动机的具体操作过程。
西门子伺服电机介绍
在某些传动范围内，须要对被控东西完成高精度的位置控制，而实现正确的位置操纵的一个基本条件是需要有高精度的伺服电机。西门子伺服电机将是您的可能之选。
一、西门子伺服电机分类：交流伺服和直流伺服两大类
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。
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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*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。
西门子直流伺服电机和西门子交流伺服电机的优缺点
1、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*。
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）
2、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。
西门子交流伺服电机和直流伺服电机的特点：
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，较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，较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，较数槽数多，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，较数槽数多，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，都为凸较式，与较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）
客户的口碑是选择西门子系统的有力佐证。西门子伺服系统可实现优秀的动态定位和精确的运动控制序列，而丰富的西门子伺服电机产品结构紧凑，可实现**的动态特性和运行效率。
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