作者：田宇
出版社：人民邮电出版社
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伺服与运动控制系统设计试读：
前言
目前，运动控制系统在机械工业自动化中的运用日益增多。但国内市场上大部分品质优良的运动控制系统（包括伺服控制技术）都依赖于进口，并且对于控制系统的应用仅限于使用经验，而使用经验的积累也大都是点滴记录，少有完整的系统论述的书籍，同时又缺乏理论依据。本书立足于伺服电机、驱动器、控制器的原理特性，对于伺服系统日常问题及各种常用功能进行解释，注重理论与经验相结合。针对系统设计者，本书讲述了如何选购各种组件，如何构建一个优良的系统；针对使用者，对系统运行中的各种现象给予了合理的解释；针对设备研发者，则向其推荐各种先进功能及其实现方法。因此，无论是系统设计者、使用者、学生还是研发人员，都能通过本书学习到伺服与运动控制的相关知识。
西门子运动控制器因其性能在控制行业处于优势地位，本书以西门子运动控制系统作为主线，但并不局限于该公司的产品，每章内容都是从伺服系统的共性出发展开，然后以西门子产品为例进行总结。因此，无论是西门子产品的使用者还是其他产品的使用者，都能通过本书得到借鉴。
本书作者希望通过深厚的控制理论基础与多年积累的应用经验，用简单易懂的语言向读者展示控制的魅力和伺服的魅力。全书共分为7章，第1章首先从概念上介绍什么是运动控制系统，什么是伺服控制，接着介绍伺服系统的构成以及各个构成部分对系统性能的影响，然后讨论运动控制系统的发展趋势。第2章至第6章分别对运动控制系统的构成（包括伺服电机、编码器、驱动器、运动控制器）进行详细介绍，同时也介绍了伺服系统优化方面的内容。第7章针对西门子运动控制系统在不同行业的应用举例进行说明，以加深读者对伺服应用的理解。
由于作者水平有限，加之时间仓促，书中错误和疏漏之处在所难免，恳请广大读者不吝指正。对本书有任何意见或建议，请发送至本书责任编辑的信箱weiyi@ptpress.com.cn，衷心感谢！作者第1章运动系统的基本概念1.1 运动控制的定义
从广义上讲，运动控制（Motion Contro1）就是控制物体的运动。还有人解释运动控制是在电驱动技术研究基础上发展而成的一门综合性、多学科交叉技术。从实现方式上解释，运动控制系统是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科，如图1.1所示。图1.1 运动控制系统的组成
当谈及运动控制时，人们往往会联想到伺服控制，但是实际上，何服控制仅仅是运动控制中的一种，即伺服控制是高精度、高速度的运动控制。
当今自动化生产技术中，运动控制代表着用途最广而又最复杂的任务。运动控制系统的发展可以实现驱动控制功能的多样化和复杂性，满足新的生产要求，同时运动控制系统的发展将使生产更灵活，并能提高产品质量和降低设备成本。要实现驱动控制功能的多样化和复杂性，使运动控制系统具有高速度、高精度、高效率和高可靠性这样的四位一体的高性能控制能力，伺服控制便成为运动控制的基础和关键技术之一。本书的主要内容也聚焦到运动控制系统中的伺服控制上。1.2 伺服系统的定义
伺服来自英文单词“servo”，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括驱动器伺服电机、反馈装置和控制器。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。
伺服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、速度和位置能被控制得非常灵活、方便。
伺服系统通常根据伺服驱动机的种类来分类，有液压式、气动式以及电气式。液压伺服系统与电气伺服系统相比有以下3个优点。
①体积小，重量轻，惯性小，可靠性好，输出功率大。
②快速性好。
③刚度大（即输出位移受外负载影响小），定位准确。
液压伺服系统的缺点是加工难度大，抗污染能力差，维护不易，成本较高。
气动伺服系统按功能一般可分为位置控制系统、速度控制系统、力控制系统、位置与力复合控制系统。其中，位置控制系统和力控制系统应用和研究得比较多，速度控制系统应用和研究得比较少。气动伺服的缺点是定位精度低。
电气式伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺服系统又分为异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。
本书主要讨论电气式伺服系统中的一种——交流电机伺服系统。1.3 伺服系统的组成
伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成，如图1.2所示。具体分为以下几个组成部分：图1.2 伺服系统构成
①负载；
②机械传动机构（直接刚性轴连接、丝杠、减速机、同步齿形带等）；
③电机（步进电机和伺服电机）；
④抱闸（电机内部、外部）；
⑤反馈元件（各种类型的编码器或传感器）；
⑥驱动器（电流以及速度的开闭环控制）；
⑦运动控制器（运动方式、位置控制）；
⑧供电电源（强、弱电源）；
⑨限位开关（硬限位）；
⑩人机界面。
通常情况下，运动控制单元与位置控制单元是一体的，也就是说，位置控制是在运动控制单元中实现的，比如西门子（Siemens）运动控制器Simotion、TCPU。
图1.3所示为西门子整个运动控制系统的装配图。其中，运动控制器（如Simotion控制器或者是PLC）通过Profibus对伺服驱动器进行控制，Drive-CLiQ是伺服驱动器的控制单元、整流单元、电机模块以及编码器进行数据交换的电缆。驱动器与电机的接线包括动力电缆与1编码器信号电缆。图1.3 伺服系统实物连接图
1 出自 Siemens Simotion function manual。1.4 伺服系统的性能要求
伺服系统必须具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控性好是指信号消失以后系统能立即自行停转，稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降，速应性强是指反应快、灵敏，响态品质好。交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、转矩波动、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。
调速范围是指电机的最高转速与最低平稳转速之比。低档的伺服系统调速范围在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以达到1∶100000以上。定位精度取决于编码器的脉冲数与驱动器对编码器的倍频细分数，例如2048线的编码器，在其倍频数为2048的条件下，理论定位精度可以达到360°/（2048×2048）。过去在测量技术比较落后的情况下，用户还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为精读数通道，直接取自转轴的测角线路称为粗读数通道。稳速精度，尤其是低速（比如速度给定1r/min时）下的稳速精度，一般在±0.1r/min以内，高性能的可以达到±0.01r/min以内。通常情况下，一些驱动器还以其额定转速的百分数来作为速度精度，例如西门子伺服驱动器的理想速度精度通常为其额定转速的0.001%。
转矩波动也是衡量伺服系统性能的指标，它是由驱动器、电机以及负载共同决定的。性能优良的伺服系统其转矩波动要求在±3%的范围内。通常，衡量动态响应的指标是系统最高响应频率和上升时间。上升时间指当速度设定点突然变化到实际速度稳定在设定值±2%的范围的时间，其中包括系统的死区延迟。最高响应频率即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于71%（－3dB）。如图1.4所示，X（t）与Y（t）信号分别为系统的输入与输出。另外，从频域上分析，系统的带宽反映伺服系统跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。根据速度闭环的伯德图（见图1.5），可以得到系统的带宽。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。通常情况下，伺服系统的带宽会随着功率范围的增加而变小。目前大部分产品的速度频带在200～500Hz，少数产品可以达到更高，如三菱伺服电机MR-J3系列的响应频率声称可高达900Hz。图1.4 时域范围内的信号曲线图1.5 速度闭环的伯德图
运行稳定性主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面我国产品（包括部分台湾产品）和世界先进水平相比差距较大。1.5 影响伺服系统性能的因素（1）电机
电机是伺服系统的重要组成部分，电机执行能力的好坏将决定整个伺服系统的控制特性。常见的伺服电机可以分为直流调速电机与交流调速电机。和直流电机相比，交流伺服电机没有直流电机的换向器和电刷等带来的缺点。同时，电机的转动惯量、转子阻抗、电刷结构以及散热等都会影响伺服系统的性能。（2）编码器
编码器作为控制的反馈元件，也是影响系统精度的重要因素。首先，编码器的脉冲数会直接影响系统的定位和速度控制精度；其次，编码器的最高转速也制约电机的最大转速。目前，用于伺服控制系统的编码器通常为光电编码器，分为增量式、绝对值、正余弦以及旋转变压器等类型。编码器的抗干扰能力会给系统的稳定性带来直接的影响。对于永磁同步电机，正确的转子位置识别也是控制的前提，因此，编码器能提供给驱动器正确的转子位置，也是控制的关键。（3）驱动器
驱动器是伺服控制的核心。根据电机类型的不同，驱动器也分为不同的种类，如晶体管放大驱动器、直流驱动器及交流驱动器，目前工控行业比较常见的是交流驱动器。例如，西门子公司推出的Sinamics S120驱动器，其实是通过SPWM方式来控制电机的，其控制方式是空间矢量控制。通常情况下，电流环与速度环都是在驱动器中实现的，而位置控制可以在运动控制器中完成，也可以在驱动器中实现。电流环与速度环的闭环特性是衡量一个控制系统性能的标准，如电流环与速度环的采样周期，速度环与电流环的带宽，控制回路上的各种滤波、延迟等，都会影响系统的精度与动态响应能力。（4）运动控制器
运动控制是在驱动器的速度环基础上，增加了位置控制、齿轮同步、凸轮、插补等运动控制功能的控制方式。
运动控制器对驱动器的控制方式有3种，即数字通信方式、模拟量方式、脉冲方式。
①数字通信方式：分辨率高，信号传输快速、可靠，可以实现高性能的灵活控制，需要通信协议。例如，西门子的Simotion与驱动器之间的数据交换采用基于Profibus或Profinet的Profidrive协议。还有其他一些欧系公司采用CAN总线的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK总线的驱动产品，通过以上的总线方式，实现了传动与运动控制器之间的数据传输控制，特别适合于需要各轴间的协调同步和插补控制的应用，除了实现机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外，还可实现要求精度极高的相位协调控制等。
②模拟量方式：分辨率低，信号可靠性与抗干扰性能差，但兼容性好。例如，西门子的运动控制器Simotion与第三方驱动器之间的控制可以通过模拟量的方式来实现。
③脉冲方式：可靠性高，快速性差，灵活性差。驱动对象为步进电机。
在系统选型配置过程中，运动控制器对驱动器的控制方式是设计者需要考虑的重要因素。通信是最稳定、快捷的控制方式，同时要考虑通信的传输速度。通信周期受通信速率与数据量大小的制约，以西门子的运动控制器Simotion为例，在传输速率为1.5Mbit/s的情况下，控制6个以上的轴时，系统的通信周期默认为3ms。同时，受通信周期的限制，运动控制器的插补周期与位置环采样周期通常为通信周期的整数倍。对于运动控制器来说，其插补周期与位置环采样周期是衡量系统性能的关键。（5）机械传动
电机通常靠机械传动结构（如联轴器、齿轮箱、丝杠、传送带、机械凸轮等）与负载相接。这样，联轴器的刚性、齿轮间隙、传送带的松紧都会影响系统的控制精度。例如，对于直线移动的执行部件，电机通常靠同步皮带轮或者丝杠进行连接，同步皮带轮的啮合间隙或者丝杠螺母的滚珠与滚道间隙等，都会对直线运动位移精度造成影响。而对于机械凸轮，必须保证速度或加速度边界条件，才能使系统不至于产生机械谐振。（6）负载
作为控制的最终对象，负载对系统性能的影响也不可忽略。负载的转动惯量的大小会影响系统的动态特性，如转动惯量大，其加速与停止过程中会要求系统的输出扭矩大，要求驱动器的驱动能力高。另外，负载与电机的转动惯量比也会影响系统的性能，转动惯量比越小，控制越容易，但电机的效率越低；惯量比大，会给系统的高频带来谐振点，从而增加控制难度。关于负载与电机惯量比的分配，可以参考2Bosch Rexroth公司给出的“适配标准”：快速定位＜2∶1，修正定位＜5∶1，高速率变换＜10∶1。（7）安装
待上述对象都得到确认后，现场装置的安装也会给整个系统带来新的问题，比如如何做好系统的接地，如何避免EMC干扰，使用合适的屏蔽电缆等，都是系统设计不可忽视的问题。例如，在编码器的电缆屏蔽层没有真正接地的情况下，反馈信号会夹杂着噪声，这种噪声对控制的精度有很大的影响，甚至会导致装置停机。（8）系统的成套性
在整个运动控制系统的设计中，建议使用者尽可能采用同一厂家的产品，包括运动控制器、驱动器、伺服电机等，保证系统的成套性，因为这样能够避免如连线、配置、通信等方面的问题。单独购买各部件所带来的问题首先是连接顺序的复杂化，电机、驱动终端和反馈设备（包括编码器、分解器、霍尔传感器等）可以有多种不同的连接次序。采用同一供应商的电机和驱动器还有一个好处，就是能更好地安3装、调试软件，并确保其兼容性。另外，每一款电机的参数都不一致，与其匹配的驱动器都有其默认参数，从电机参数的识别方式来看，驱动器也有专有的识别方式。对于第三方电机，驱动器所能够识别的程序可能不够准确；而在精密的运动控制系统中，一个参数的差别可能会影响电机的驱动性能，从而影响控制精度。因此，建议用户尽量采用同一厂家的配套产品。
2 出自 Frank J.Bartos的《控制系统应用技巧》，《软件》2007年第4期。
3 出自 Frank J.Bartos的《伺服系统应用技巧》。1.6 交流永磁同步电机伺服系统
在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，到20世纪70年代以后，交流伺服电机性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等的控制。通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在20世纪90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是其迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速、多元化发展趋势，国内外众多品牌进入市场竞争中。目前，交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。
在交流伺服系统中，电机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM）。其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。例如，西门子的伺服电机在功率为30kW以下多采用永磁同步电机1FK、1FT系列，而功率在30kW以上多采用1PH异步电机。
目前，国外品牌电机占据了中国交流伺服市场85%左右的份额，它们主要来自日本、德国和美国，日本品牌有安川、发那科（Fanuc）、三菱、松下、三洋、富士等，美国品牌有罗克韦尔（Rockwell Automation）、丹纳赫（Danaher）、派克（Parker）等，德国品牌有西门子（Siemens）、博世力士乐（Bosch Rexroth），另外还有法国品牌施耐德（Schneider）等。
中国国内的品牌主要有和利时电机、华中数控、广数、兰州电机等，其中和利时电机面向整个自动化产业机械市场提供步进、无刷、伺服等系列产品，在技术上和品牌上有一定优势；华中数控、广数和兰州电机等主要集中在数控机床行业，伴随着近几年数控行业的大发展，它们的出货量也保持了快速增长，积累了相对较强的实力。国产品牌产品功率范围多在5kW以内，技术路线上与日系产品接近，目前总市场占有率在10%左右。1.7 交流伺服的行业应用
现代交流伺服系统最早被应用到导航和军事领域，比如火炮、雷达控制，后来逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、汽车制造、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。
在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转速为30000～100000r/min。工作台的进给速度在分辨率为1μm时达到100m/min，甚至200m/min以上；在分辨率为0.1μs时，在24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括定位速度和轮廓切削进给速度、定位精度和轮廓切削精度、精加工的表面粗糙度和在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。数控系统由计算机数字控制（CNC）、伺服驱动器（SD）、永磁同步伺服电机（SM）及位置（速度）传感器（S）等组成。CNC用来存储零件加工程序，进行各种插补运算和软件实时控制，向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。如西门子的Sinumerik系列数控系统，可以实现复杂的加工任务。SD和SM接收到CNC的控制命令后，快速平滑地调节运动速度并精确地进行位置控制，西门子的Sinumerik与驱动器Simodrive611或者是Sinamics S120一起构成全数字化的系统，具有革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。
在机器人领域，无刷永磁伺服系统得到大量应用。工业机器人拥有多个自由度，每台工业机器人需要的电机数量在10台以上。国际上工业机器人采用的伺服系统属专用系统，其特点是多轴合一、模块化、特殊的散热结构、特殊的控制方式，并且对可靠性要求极高。国际机器人巨头都有自己的专属伺服系统配套，比如安川、松下和ABB。工业机器人要求伺服电机作为机器人的手臂和腰、腿的驱动执行元件，要求其体积小、重量轻且能产生大转矩。又由于工业机器人有不同的运动姿态，伺服电机轴上惯量和力矩将发生很大变化，因此，对适应性有更高要求。
纺织行业当前应用伺服的比例很低，但却是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。从20世纪90年代初期至今，纺织行业的技术进步主要是依靠变频化、PLC化，只有少量纺织机械采用高档伺服技术用于提高精度和效率。目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、印花机等设备应用了交流伺服系统。无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取设备，印染设备上也要用到伺服系统。这些设备每年的伺服用量为20000～30000套，且几乎全部是进口产品，如Lenze、Danaher、西门子和Baumuller，还有三菱和松下等。如西门子Simotion D系统借助其标准化的同步、恒张力控制程序在浆纱机、定型机上有很多成功的应用。
无轴（电子轴）传动技术在印刷机上应用，也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电机取代传统的机械传动链，伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系，通过软件保证各伺服轴与内部的虚拟电子轴严格同步。无轴传动技术为印刷机的生产制造和为印刷业服务革命带来了最佳解决方案，目前欧洲50%的凹印机采用了无轴技术，日本也有30%以上采用。其他采用无轴传动的机械包括卷筒纸印刷机、柔印机、上光机、烫金机、模切机等各类印刷设备。这一领域最顶级的伺服控制解决方案提供商是来自德国的博世力士乐、西门子、伦茨以及日本的住友和奥地利的贝加莱。例如，国内某家印刷包装设备有限公司生产的卫星式柔版印刷机（柔版印刷工艺流程如图1.6所示）采用了西门子的Simotion D控制系统。在该项目中，伺服轴的数目超过90个，借助于几个Simotion D控制器，控制器与控制器之间进行Profinet方式的通信，以实现分布式的同步。图1.6 柔版印刷工艺流程
包装设备上，采用伺服控制可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量，因此，交流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。采用数字伺服技术的电子齿轮和电子凸轮将代替传统机械部件；随着价格的下降，成本也逐渐接近纯机械的方案。欧洲Elau公司专门针对包装机械设计开发数字伺服和运动控制解决方案，在大型连续包装设备方面居于领先地位，而我国尚没有出现如此专业的解决方案提供商。
汽车行业，伺服系统的应用也日益广泛，如冲压、仪表板生产线都采用了伺服控制系统。有些仪表板生产线上利用西门子S7-300 PLC及位控模块FM357、伺服驱动模块Simodrive611A、伺服电机1FK6构成的控制系统，实现了对发炮机以及转盘线等系统的控制。在冲压生产线上使用西门子的运动控制器Simotion P系统，实现了对抓、送料机械手的控制。
另外，如橡胶、连续物料加工、造纸等众多行业都有多处用到伺服控制系统。可以说，随着伺服系统成本的下降以及工业生产需求的不断提升，交流伺服系统的市场范围会不断扩大。1.8 伺服技术的发展过程及趋势
电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便、灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是电子技术和计算机软件技术的发展，为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。
从电机发展过程看，异步交流伺服电机特性软，并且控制比同步电机复杂。步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电机本身还有速度谐振区，PWM调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够。直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛地应用于位置随动系统中，但也有其缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。考虑以上不足，无刷直流电机（BLDCM）用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，将原直流电机的电枢变为定子。有刷直流电机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电机是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子。这种方波会引起系统转矩的波动，系统的平稳度不如永磁交流伺服电机。
由于永磁材料的性能不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机简单，容易实现高性能等缘故，永磁同步电机的交流伺服系统应用更为广泛。
在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压/频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多是在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。此外，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，当前的转子位置识别都是靠对编码器的Z脉冲或者C/D通道的识别来实现的，这给控制系统带来很大难度。人们一直希望取消这个环节，于是发展了无位置传感器技术（Sensorless Control）。至今，在商品化的产品中，采用无位置传感器技术只能达到大约1∶100的调速比，可以用在一些低档的、对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速启停和制动的缝纫机伺服控制。这个技术的高性能化还有待进一步发展。
从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总体来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面。（1）交流代替直流
伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在工业发达国家，交流伺服电机的市场占有率已经超过80%。如西门子正在致力推出Sinamics S120交流伺服装置，而传统机床上的直流伺服6RA26设备将逐渐被淘汰。可以预见，在不久的将来，除了在某些微型电机领域之外，交流伺服电机将完全取代直流伺服电机。（2）数字代替模拟
模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点。但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制。例如，传统的伺服系统电流环回路都是模拟电子回路，不能靠参数调整，而且经常由于温度或者其他原因产生零漂、积分饱和等不良现象。而现在的电流环都完成了驱动器中数字化，可以通过软件对其调整，避免了零漂，同时有助于参数的监控、保存等。（3）新型电力电子半导体器件
目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。（4）高度集成化
新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。高度的集成化包括电路的集成、功能的集成、通信口的集成等，例如西门子的S120伺服驱动器，通过软件组态，既可以作速度控制，又可以实现基本定位功能。西门子的Simotion D系统内部集成了驱动的控制单元CU320，既可以实现对驱动的控制，也可以实现复杂的运动控制功能。（5）智能化、简易化
智能化、简易化是当前所有工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先，系统的参数既可以通过相应的调试软件进行修改，又可以通过人机界面作实时修改，应用起来十分方便；其次，它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型甚至可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，同时又将故障记录保存在特定的参数中，这就简化了维修与调试的复杂性。除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。例如西门子的伺服驱动器S120，借助其调试软件，将整个控制回路通过图表的方式展现给用户，方便用户调试与故障诊断，另外，还为用户提供了功能函数发生器、Trace、伯德图测量、自动优化功能。这些都是装置智能化、简易化的体现。（6）模块化和网络化
在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232C或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其他控制设备间的互连能力，从而与CNC系统间的连接也变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。西门子的伺服驱动器S120将控制单元、整流单元、电机模块、编码器等都进行了模块化的设计，模块之间采用Drive-CLiQ网络通信进行数据交换，使系统的配置变得更加灵活。由于一个控制单元可以同时驱动多个电机模块，这样多个轴之间可以共享一个控制单元或者整流单元，节省了资源，如图1.7所示。图1.7 Sinamics S120伺服驱动系统
综上所述，伺服系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用要求、对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等；另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品——伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能化、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。第2章伺服电机2.1 伺服电机的介绍
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统。伺服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、速度和位置能被控制得非常灵活、方便。为了实现精确的速度与位置控制，电机是重要的影响因素。目前市场上的伺服电机种类繁多，而且同种类型伺服电机的电气参数相差很多，因此建议控制伺服电机使用与其配套的伺服驱动器，否则可能会给调试带来困难，如电机参数的识别方式、电机的转动惯量、编码器的接收方式等都可能出现问题。
伺服电机又叫执行电机，或叫控制电机。在自动控制系统中，伺服电机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移，其容量一般为0.1～100W，常用的是30W以下。伺服电机有直流和交流之分。2.2 伺服电机的特点
与普通电机相比，伺服电机有以下特点。
①低转动惯量，保证高动态特性。
②转子阻抗高，保证启动转矩大、调速范围宽。
③无电刷或换向器。
④定子散热比较方便。
⑤结构紧凑，保证较小的体积与重量。
有人提出用功率变化率来衡量电机的动态特性，功率变化率等于电机的额定输出扭矩与转子转动惯量之比。与步进电机相比，伺服电机有更优良的控制特性，以下是二者的特性比较。
①控制精度不同。步进电机的步距角通常为0.09°，而伺服电机根据编码器位数可以更加精确。
②低频特性不同。步进电机低频有震动。
③矩频特性不同。步进电机的最高转速可达300～600r/min，而伺服电机可以达到2000～3000r/min。
④过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有高过载能力。
⑤运行性能不同。步进电机多为开环控制，而伺服电机多用于闭环控制。
⑥速度响应性能不同。步进电机启动响应较慢，需要几百毫秒。
⑦接收信号不同。步进驱动多接收脉冲信号作为速度给定，而交流伺服多接收模拟信号。2.3 伺服电机的分类
从电压类型上分，伺服电机可以分为直流伺服电机与交流伺服电机，交流伺服电机又可以分为同步伺服电机与异步伺服电机。通常情况下，对于功率在30kW以下的应用场合，建议使用同步伺服电机；而对于大功率应用场合，常用异步伺服电机。2.3.1 同步电机与异步电机
同步电机结构紧凑，相同功率或尺寸的同步电机扭矩比异步电机4大60%，转子转动惯量低，可以满足高动态特性控制，同时在相同的扭矩输出条件下冷却功率较小。另外，在转子的温度特性上同步电机也与异步电机有很大区别，例如，当速度在2倍的额定转速下时，同步电机在转子上所消耗的功率比异步电机明显低；而在2倍额定转速以上的转速范围内，在无负载的情况下，同步电机转子上所产生的热量要高于异步电机，因此在这个区域同步电机开始弱磁，需要在线圈上加额外的弱磁电流。但是在有负载的情况下，同步电机的温度要低于异步电机，后者的线圈温度在有负载的情况下可达250℃。因此可以得出，异步电机有增加弱磁范围的最大转速优势，同时输出功率范围较大。
在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，可用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子的位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。机械传感器的存在，增加了系统的复杂程度和成本，降低了系统鲁棒性（又称稳健性）。永磁同步电机的无速度传感器控制成为目前研究的一个热点问题。
4 出自 Siemens 1FE configuration manual。2.3.2 永磁同步电机与无刷直流电机
永磁同步电机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种，一种为正弦波，另一种为梯形波。这样就造成两种同步电机在原理、模型及控制方法上有所不同。为了区别由它们组成的永磁同步电机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电机系统类似，故称这种系统为无刷直流电机（BLDCM）调速系统。永磁同步电机与无刷直流电机有许多类似之处，例如转子上均有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩。其主要区别是永磁同步电机的反电动势为正弦波，无刷直流电机的反电动势为梯形波；为了产生恒定力矩，永磁同步电机需要的定子电流为正弦波对称电流，无刷直流电机需要的定子电流为方波电流。
由于电磁惯性，无刷直流电机的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以无刷直流电机较永磁同步电机脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，永磁同步电机有较大竞争力。在另一方面，永磁同步电机单位电流产生的力矩较无刷直流电机单位电流产生的力矩小。在驱动相同容量的电机时，永磁同步电机所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗大很多。无刷直流电机定子电流为方波，每相开通1200°，然后关断600°。每600°有一个开关改变状态，所以无刷直流电机转子位置检测器只需要每隔600°输出一个脉冲。永磁同步电机定子电流为正弦波，定子电流瞬时值取决于转子的瞬时位置，所以必须连续地检测转子位置。永磁同步电机的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。
另外，永磁同步电机对参数的变化较无刷直流电机敏感，但当永磁同步电机工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，永磁同步电机矢量控制系统对参数变化的敏感性与无刷直流电机基本相同。当电机转速较高，无刷直流电机反电动势与直流母线电压相同时，反电动势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。2.4 电机数据
驱动器驱动伺服电机，特别是永磁同步伺服电机时，必须要准确输入电机参数。伺服电机的参数可以分为参考数据、物理数据、散热数据以及电气数据，如表2.1所示。表2.1 伺服电机的重要数据
下面主要介绍电机的转矩—速度特性。
电机的转矩输出能力主要受到热量、机械以及电磁边界条件等因素的影响。通常情况下，认为电机线圈的最高平均温度为140℃。对于自冷电机，一般允许的最高环境温度是40℃，所以通常将线圈的温升定义为两个挡次，即100K与60K，如图2.1中两条S1曲线所示，不允许电机长期运行在S1（100K）的曲线之上。可以看出，电机的输出扭矩会随电机转速的上升而下降。如果是间隙性工作，即在10min内或者在1min内（小电机）有百分之几的时间处于运行状态，则其所能输出的扭矩会提高。占空比越低，可输出扭矩越高。图2.1 西门子永磁同步伺服电机扭矩与转速关系图
当然，不同厂家的电机，其转矩—速度关系曲线可以用不同的方式来表达，图2.2中显示的是SEM HR7004电机的转矩—速度关系图。图中，横轴表示电机输出扭矩能力，纵轴表示电机的最大转速及额定转矩。5图2.2 SEM电机转矩—速度关系曲线图
电机电枢回路不同导致电机的电压限制特性不同，例如西门子同步伺服电机订货号的第10位表示电压的限制特性，同时也反映出电机的额定转速。如图2.3所示，其中序列号为K的电机额定转速最高。在电机不弱磁的情况下，如果电机转速超过了其额定转速，则其输出扭矩会急剧下降，不能超出虚线的左部。如果是在弱磁的条件下，则曲线的右侧为弱磁区。图2.3 不同序列号电机的弱磁曲线
除了电枢回路不同，驱动器的电压输出也会影响电压限制特性曲线，例如伺服驱动器S120的整流模块，ALM类型相对于SLM类型的整流模块其输出电压偏高，电机的输出扭矩能力也会高一些，因此其6电压的限制曲线会随驱动器输出电压能力产生平移，如图2.4所示。图2.4 驱动直流电压对电机弱磁曲线的影响
因此对于伺服电机，在不同的驱动器输出电压情况下，其额定功率与额定转速都不同。以1FT7电机为例，在3种不同驱动器输出电压的情况下，其扭矩—速度曲线如图2.5所示。图2.5（a）、（b）、（c）所示分别是在不同的整流模块与不同的进线电压情况下不同的电机特性曲线。从图中可以看出，对于进线电压为400V的SML模块[见图2.5（a）]，其整流后的直流母线电压为400V×1.35＝540V；而对于进线电压为400V的ALM模块[见图2.5（b）]，其整流后的直流母线电压为400V×1.5＝600V；对于进线电压为480V的SLM模块[见图2.5（c）]，其整流后的直流母线电压为480V×1.35＝648V。因此可以看出，驱动器的输出电压能力越高，电机的输出能力越强，其弱磁曲线越靠右平移。图2.5 3种整流模块同种电机的扭矩特性
还可以得出，电机有两条电压限制特性曲线，一条由电枢回路决定。另一条是由电机模块的直流电压来限制的。很多情况下，二者不重合，如图2.6所示。当转速超过此电压限制曲线时，电机开始进入弱磁区，但弱磁区也受到扭矩上限的限制。图2.6 电机的两条电压限制曲线
对于可以弱磁的电机控制来说，在超过电机的电压限制特性曲线后，电机开始进入弱磁区，从图2.7可以看出，S1曲线同弱磁区存在重叠区域，这说明在输出扭矩很小的情况下，伺服电机可以长期工作在弱磁区。另外，由于变频器的最大输出频率限制以及最大耐压的限制，电机有驱动最大转速限制，如果电机超出此速度，线圈产生的反电动势可能对驱动器的逆变单元造成损伤。同时，由于转子的离心力以及轴承非平衡受力，电机也存在机械最大转速限制，通常机械最大转速限制要高于驱动最大转速限制。因此通常情况下，电机的转速不会超出驱动最大转速。图2.7 完整的电机扭矩特性
在用S120进行组态的过程中，参数P0348是电机开始弱磁控制的速度设定。在伺服控制中，不论是异步电机还是同步电机均存在弱磁控制方式，但同步电机没有励磁控制器，如图2.8所示。图2.8 S120驱动器伺服模式下的弱磁控制
可以看出，同步电机在弱磁速度以下，励磁电流的设定值均为零；而对于异步电机，在额定转速以下，其励磁电流在整个电机电流中占有一定的比例，比例的大小取决于电机。
需要注意的是，当选择1FK或者是1FT电机时，有时P0348的值要高于电机的最大转速，在这种情况下，电机运行的速度范围内就不存在弱磁区，如图2.9所示。例如选择电机1FT7162-XAK7X，其开始在V＝600V时弱磁的速度为9444r/min，但是其最大电机转速为DC8000r/min。图2.9 不存在弱磁区的控制
电机静态扭矩与过载能力也是衡量电机工作特性的一个重要因素。对于同等功率的伺服电机，1FW系列电机的静态扭矩最大，其最大扭矩可以达到静态扭矩的2倍。而1FK、1FT系列电机的静态系列相差不多，但后者的最大扭矩要高于前者。通常情况下，1FT电机的最大扭矩可以达到静态扭矩的4倍，1FK的最大扭矩可以达到静态扭矩的3倍，如图2.10所示。图2.10 几种不同电机的静态扭矩与最大扭矩
可以看出，1FT系列电机的过载能力最强，1FW系列电机的过载能力最弱。在选型过程中需要注意电机的过载能力。
5 出自 SEM HR7004 Manual。
6 出自 《西门子1FK电机手册》。2.5 西门子伺服电机
西门子的伺服电机可以分为以下两大类。
①同步电机：1FK、1FT、1FW、1FN等。
②异步电机：1PH、1PH4、1PL6等。2.5.1 1FK、1FT同步伺服电机
1FK、1FT是西门子紧凑型永磁同步电机，两种电机都满足高动态响应、调速范围宽、精确定位的要求。两款电机都具有低扭矩波动、高过载能力的特点，特别是1FT系列电机，其最大扭矩可以达到4倍的静态扭矩，其应用领域可以覆盖以下范围：
①塑料机械；
②造纸机械；
③纺织机械；
④加工机械；
⑤包装机械；
⑥压力机械；
⑦拉丝机械；
⑧电缆缠绕机械；
⑨机床；
⑩机器人与操作设备；
⑾仓储运输系统；
⑿高架系统；
⒀起重与提升设备；
⒁测试平台；
⒂专用机械设备。
图2.11所示是1FT7与1FK7系列伺服电机的铭牌数据。图2.11 1FK7、1FT7系列伺服电机铭牌数据
从电机的铭牌数据可以知道以下数据：电机订货号、电机序列号、电机的静态扭矩、静态启动电流、最大转速、额定扭矩、额定电流、额定转速、温度等级、电机额定感应电压、编码器类型及脉冲数、防护等级、抱闸类型、美洲及欧洲标准、电机重量等。2.5.2 1FW系列扭矩电机
很多应用场合都会有低速大转矩的需求，如果应用多极数感应电机（又称异步电机），由于感应漏磁增加，会导致电机效率下降。极对数低的情况下，驱动器的输出频率高，借助减速箱来实现降速，不但增加机械成本，还不能避免由机械间隙所带来的误差。如果驱动器的输出频率低，可以实现低速控制，但感应电机不允许长期工作在低频，同时在低频情况下效率也很低。
鉴于以上考虑，多极永磁同步电机由于能避免感应电机的不良效应，在低速大转矩的场合得到了广泛的应用。
1FW3是西门子推出的水冷、多极永磁同步电机，其转子呈空心轴状，分别有3种外围直径尺寸，并带有不同长度的轴，轴高分别为150mm、200mm、280mm，结合Sinamics S120可以构成高性能伺服系统。1FW3的外形如图2.12所示。图2.12 1FW3的外形图（1）扭矩电机的特点
扭矩电机的特点如下：
①结构紧凑，高扭矩；
②高过载能力；
③无弹性变形；
④由于没有机械结构，可靠性高；
⑤低转动惯量；
⑥可法兰安装传动机构；
⑦由于没有机械齿轮，因而可节省部分能量；
⑧空心轴设计方便安装。（2）扭矩电机的应用领域
扭矩电机的应用领域如下：
①挤压机；
②螺杆驱动或铸缩成型机械；
③金属箔片的牵引机构；
④拉伸、砑光、铸造与冷却辊；
⑤动态定位；
⑥替代液压设备；
⑦造纸机的卷绕；
⑧连续物料加工；
⑨拉丝机；
⑩剪切机。（3）扭矩电机的技术参数
扭矩电机的技术参数如表2.2所示。表2.2 扭矩电机的技术参数（4）扭矩电机的铭牌数据
扭矩电机的铭牌数据如图2.13所示。图2.13 扭矩电机铭牌数据
关于铭牌参数的描述如表2.3所示。表2.3 铭牌参数说明
可以看出，对于扭矩电机，要标定其额定数据，必须考虑驱动器的输入电压及类型等。也就是说，电机的额定数据与驱动器的输出电压能力有着直接的关系。（5）扭矩电机编码器的安装方式
扭矩电机编码器的安装方式有两种，如图2.14所示。图2.14 扭矩电机编码器安装方式
①皮带安装，必须在轴的机械数据中设置减速度，如7∶2。几种类型电机的传动比如表2.4所示。表2.4 几种类型电机的传动比
需要注意的是，皮带质量的好坏直接影响编码器的精度，因此，禁止使用者私自拆卸或改装皮带。
②同轴安装，相比之下，它更适合高动态特性控制。（6）扭矩电机的轴向力与径向力
对于扭矩电机来说，其所能承受的轴向力与径向力会影响电机的使用寿命。轴向力、径向力与转速相互制约，假设电机运行在正常速度下且轴承寿命为20000h，参考力与轴向距离的关系图如图2.15所示。图2.15 力与轴向距离关系图
但要注意，当电机轴向力不为零时，应防止径向力超越其极限值，如图2.16所示。图2.16 扭矩电机的轴向力与径向力（7）扭矩电机的水冷回路
为了得到高功率输出的电机，西门子为扭矩电机定子增加了水冷机构。扭矩电机的水冷系统如图2.17所示。用户需要将水管连接到冷却回路中。优化的水路结构能够保证电机定子的散热。
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