伺服电机的三种控制方式该如何应用

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。大多数人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。

交流伺服电机的工作原理：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）

交流伺服电机的基本常识：交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。+通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。+

为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有：

1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相

2）利用三相电源的任意线电压；

3）采用移相网络

4）在激磁相中串联电容器+交流伺服电机及其调速分类和特点

长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。+现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱+动之势。

分类和特点

1．异步型交流伺服电动机：异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻，价格便宜。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。+这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。

2．同步型交流伺服电动机：同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸小，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1%。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。+交流伺服电机的优良性能+保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

以SINAMICS V90系统为例说明。

SINAMICS V90 根据不同的应用分为两个版本：

1. 脉冲序列版本（集成了脉冲，模拟量，USS/MODBUS）；

2. PROFINET通讯版本。

SINAMICS V90 脉冲版本可以实现内部定位块功能，同时具有脉冲位置控制，速度控制，力矩控制模式。

下图所示为脉冲串指令速度控制模式（PTI）下的默认接口定义，符合标准的应用习惯。

 

同时只允许使用一个脉冲输入通道，其他控制信号也可以自由分配到数字量输入和输出端子上，请参见操作手册。

数字量输入，支持NPN和PNP两种类型。接线图中的24V电源如下：

（1）用于SINAMICS V90的24V电源。所有的PTO信号都必须连接至使用同一24V电源的控制器，如SINAMICS V90。

（2）隔离的数字量输入电源，可使用控制器电源。

（3）隔离的数字量输出电源，可使用控制器电源。

SINAMICS V90 伺服驱动：

 

电机抱闸信号（仅用于 SINAMICS V90 200 V 驱动）。SINAMICS V90 200 V 驱动需要使用外部继电器来连接电机抱闸。

SINAMICS V90 脉冲序列版本的系统接线图：

 

SINAMICS V90 PROFINET 版本的系统接线图：

 

1、SIMOTICS S-1FL6 低惯量电机 SH20、SH30 及SH40 使用电缆型连接器。

2、此处所展示的抱闸电缆连接仅适用于 V90 400 V 驱动。V90 200 V 驱动需要使用外部继电器来连接电机抱闸电缆。

3、SINAMICS V90 PTI 驱动必须通过设定值电缆连接继电器，而 SINAMICS V90 PROFINET 驱动通过 I/O 电缆连接继电器。

4、必须使用 I/O 电缆来实现 SINAMICS V90 PROFINET 200 V 驱动的抱闸控制，并实现除 PROFINET 通讯之外需要额外 DI/DO 的应用。

来源：电力实事

审核编辑：符乾江