伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

全國高等職業(yè)教育機電類專業(yè)“十二五”規(guī)劃教材

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

陳亞林陸東明主編

陳慶勝劉思遠副主編

周江濤參編

狄建雄主審

內(nèi)容簡介

本書主要介紹三菱交流伺服控制系統(tǒng)的原理和應用，全書共分7個項目，內(nèi)容包括：緒論，主

要介紹伺服控制系統(tǒng)以及典型產(chǎn)品、應用行業(yè)等；伺服電動機與伺服測量系統(tǒng)，主要介紹伺服電動

機基本原理、永磁同步伺服電動機、測量系統(tǒng)基本原理及相關(guān)檢測元件等；伺服原理與系統(tǒng)，主要

介紹交流電的逆變、PWM逆變原理、永磁同步電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)；伺服驅(qū)動器工作原理，主要

介紹位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動單元、完整的電動機驅(qū)動器；三菱伺服驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)，

主要介紹系統(tǒng)的性能指標、電氣接線、模塊應用等；三菱伺服驅(qū)動器的操作與調(diào)試，主要介紹三菱

伺服驅(qū)動器的具體應用，包括參數(shù)設置、系統(tǒng)調(diào)試、故障診斷；伺服控制系統(tǒng)的應用，給出伺服移

位角控制、定位機械手控制、定位跟蹤控制、單軸伺服跟蹤控制4個實例。

本書內(nèi)容充實，通俗易懂，實用性強，注重能力培養(yǎng)，最后以實例收尾，有效地訓練了學生

解決實際問題的能力和動手能力。

本書適合作為高等職業(yè)院校機電一體化等專業(yè)的教材，也可作為自動化類崗位的培訓教材。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)/陳亞林,陸東明主編.—北京:

中國鐵道出版社,2015.12（2018.7重印）

全國高等職業(yè)教育機電類專業(yè)“十二五”規(guī)劃教材

ISBN978-7-113-19009-5

Ⅰ.①伺…Ⅱ.①陳…②陸…Ⅲ.①伺服系統(tǒng)－高

等職業(yè)教育－教材Ⅳ.①TP275

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2014)第194366號

書名：伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

作者：陳亞林陸東明主編

策劃：祁云讀者熱線/p>

責任編輯：祁云彭立輝

封面設計：付巍

封面制作：白雪

責任校對：湯淑梅

責任印制：郭向偉

出版發(fā)行：中國鐵道出版社（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網(wǎng)址：http:///51eds/

印刷：北京鑫正大印刷有限公司

版次：2015年12月第1版2018年7月第2次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：11.5字數(shù)：268千

印數(shù)：2001～3500冊

書號：ISBN978-7-113-19009-5

定價：25.00元

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FOREWORD前言

伺服控制系統(tǒng)涉及數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)和材料學等諸多行業(yè)，它的發(fā)

展直接關(guān)系到整體數(shù)控設備的性能發(fā)揮及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)動發(fā)展。

在研究、設計自動化裝備過程中，運動控制技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，它涵蓋控制理

論、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機學、機械設計、信號檢測與處理技

術(shù)等多門學科，是自動化技術(shù)的主要分支。

目前，我國高職院校的相關(guān)專業(yè)已開設了該課程，但是相關(guān)的教材太少，或者與工

業(yè)實際相差較大，這使得裝備制造業(yè)中運動控制技術(shù)人才緊缺。

本書根據(jù)作者多年運動控制系統(tǒng)的研究和總結(jié)編寫而成，其內(nèi)容從運動控制技術(shù)應

用的行業(yè)層面介紹，到學習該技術(shù)由淺入深的系統(tǒng)專業(yè)知識介紹，從器件到系統(tǒng)，由理

論到實踐，層層解剖，讓讀者能系統(tǒng)地學習、了解運動控制系統(tǒng)的原理和應用方法，真

正體現(xiàn)學以致用。

本書由陳亞林、陸東明任主編，陳慶勝、劉思遠任副主編，周江濤參編，狄建雄主

審。其中：陳亞林編寫項目1、3、5，陸東明編寫項目4，陳慶勝編寫項目2，劉思遠編

寫項目6，周江濤編寫項目7。

本書適用于高等職業(yè)院校機電一體化專業(yè)的工程技術(shù)人員和相關(guān)專業(yè)的培訓教材。

由于編者水平所限，書中難免存在疏漏與不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者

2015年8月

CONTENTS目錄

項目1緒論.........................................................................................................................1

1.1伺服控制系統(tǒng)概述.............................................................................................................1

1.2伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與典型產(chǎn)品.....................................................................................2

1.2.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)....................................................................................................2

1.2.2伺服系統(tǒng)的分類....................................................................................................2

1.2.3伺服系統(tǒng)的性能要求............................................................................................3

1.2.4伺服系統(tǒng)的主要特點............................................................................................3

1.2.5伺服放大器的典型產(chǎn)品........................................................................................4

1.3伺服控制系統(tǒng)在機床行業(yè)的應用.....................................................................................8

1.4伺服控制系統(tǒng)在紡織行業(yè)的應用.....................................................................................9

項目2伺服電動機與伺服測量系統(tǒng)...................................................................................12

2.1伺服電動機基本原理.......................................................................................................12

2.2永磁同步伺服電動機.......................................................................................................16

2.2.1永磁同步伺服電動機的結(jié)構(gòu)與分類..................................................................16

2.2.2永磁同步伺服電動機交流伺服系統(tǒng)..................................................................18

2.3測量系統(tǒng)基本原理...........................................................................................................20

2.4編碼器...............................................................................................................................22

2.4.1編碼器原理..........................................................................................................22

2.4.2輸出信號..............................................................................................................23

2.4.3分類.......................................................................................................................23

2.4.4從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器......................................................24

2.5旋轉(zhuǎn)變壓器.......................................................................................................................25

2.5.1旋轉(zhuǎn)變壓器的用途..............................................................................................26

2.5.2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器..............................................................................................28

2.5.3線性旋轉(zhuǎn)變壓器..................................................................................................29

2.6光柵尺...............................................................................................................................30

2.7磁尺...................................................................................................................................32

項目3伺服原理與系統(tǒng).....................................................................................................34

3.1交流電的逆變...................................................................................................................34

3.1.1逆變電路的基本形式..........................................................................................34

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

3.1.2電流控制型逆變器..............................................................................................35

3.1.3電壓控制型逆變器..............................................................................................36

3.2PWM逆變原理................................................................................................................38

3.2.1PWM逆變原理與特點........................................................................................38

3.2.2PWM波形的產(chǎn)生................................................................................................41

3.3永磁同步電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng).......................................................................................42

3.3.1交流永磁同步電動機的矢量控制原理..............................................................43

3.3.2交流永磁同步電動機控制系統(tǒng)..........................................................................45

項目4伺服驅(qū)動器工作原理..............................................................................................47

4.1位置控制單元...................................................................................................................47

4.2速度控制單元...................................................................................................................48

4.3驅(qū)動單元...........................................................................................................................49

4.4完整的電動機驅(qū)動器.......................................................................................................49

項目5三菱伺服驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)...................................................................................52

5.1產(chǎn)品規(guī)格與技術(shù)性能.......................................................................................................52

5.2電氣連接總圖...................................................................................................................54

5.3伺服驅(qū)動器引腳功能.......................................................................................................56

5.4伺服驅(qū)動器的接線...........................................................................................................68

5.5定位模塊的應用...............................................................................................................71

5.5.1QD75定位模塊特點............................................................................................71

5.5.2定位模塊的選擇..................................................................................................72

5.5.3QDP1的使用.......................................................................................................74

5.5.4GXConfigurator-QP的基本應用操作...............................................................76

5.6運動控制CPU的應用.....................................................................................................86

5.6.1運動控制CPU簡介.............................................................................................86

5.6.2運動控制CPU的使用.........................................................................................89

項目6三菱伺服驅(qū)動器的操作與調(diào)試.............................................................................128

6.1狀態(tài)、診斷、報警和參數(shù)模式的顯示操作................................................................128

6.1.1概要.....................................................................................................................128

6.1.2狀態(tài)顯示............................................................................................................129

6.1.3診斷模式............................................................................................................131

6.1.4報警模式............................................................................................................132

6.1.5參數(shù)模式............................................................................................................134

6.1.6外部輸入/輸出信號顯示...................................................................................135

2

CONTENTS

目錄

6.2參數(shù)設置.........................................................................................................................137

6.2.1基本設置參數(shù)（No.PA□□）.........................................................................137

6.2.2增益濾波器參數(shù)（No.PB□□）......................................................................139

6.2.3擴展設置參數(shù)（No.PC□□）..........................................................................140

6.2.4輸入/輸出設置參數(shù)（No.PD□□）................................................................142

6.3驅(qū)動器的調(diào)試.................................................................................................................145

6.4故障與報警處理.............................................................................................................146

6.4.1報警、警告一覽表............................................................................................146

6.4.2報警的處理方法................................................................................................148

6.4.3警告處理方法....................................................................................................153

項目7伺服控制系統(tǒng)的應用............................................................................................155

7.1伺服移位角控制.............................................................................................................155

7.2定位機械手控制.............................................................................................................159

7.3定位跟蹤控制.................................................................................................................165

7.4單軸伺服跟蹤控制.........................................................................................................170

3

項目1緒論

交流伺服控制對自動化、自動控制、電氣技術(shù)、電力系統(tǒng)及自動化、機電一體化、電機

電器與控制等專業(yè)既是一門基礎(chǔ)技術(shù)，又是一門專業(yè)技術(shù)。它結(jié)合生產(chǎn)實際，解決各種復雜

定位控制問題，如機器人軌跡控制、數(shù)控機床位置控制等。它是一門機械、電力電子、控制

和信息技術(shù)相結(jié)合的交叉學科。

1.1伺服控制系統(tǒng)概述

伺服控制系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)。在很

多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋

控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系

統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

例如，防空雷達控制就是一個典型的伺服控制過程，它是以空中的目標為輸入指令要

求，雷達天線要一直跟蹤目標，為地面炮臺提供目標方位；加工中心的機械制造過程也是

伺服控制過程，位移傳感器不斷地將刀具進給的位移傳送給計算機，通過與加工位置目標

比較，計算機輸出繼續(xù)加工或停止加工的控制信號。絕大部分機電一體化系統(tǒng)都具有伺服

功能，機電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機構(gòu)按設計要求實現(xiàn)運動而提供控制和動力

的重要環(huán)節(jié)。

伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)

域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到

下面幾個目的：

①以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。

②在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。

③使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

衡量伺服控制系統(tǒng)性能的主要指標有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻

率響應特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)跟蹤的快速性。帶寬越寬，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶

寬主要受控制對象和執(zhí)行機構(gòu)慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小

于15Hz，大型設備伺服系統(tǒng)的帶寬則在2Hz以下。自20世紀70年代以來，由于發(fā)展了

力矩電動機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變

形等非線性因素，使帶寬達到50Hz，并成功應用在遠程導彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場

所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

精度的測量元件，如精密電位器、自整角機和旋轉(zhuǎn)變壓器等。此外，也可采取附加措施來

提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸，通過減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使

轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角得到放大來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)，

或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱為精讀數(shù)通道；直接取自轉(zhuǎn)軸的測角

線路稱為粗讀數(shù)通道。

1.2伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與典型產(chǎn)品

1.2.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析，伺服系統(tǒng)

一般包括調(diào)節(jié)元件、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。伺服系統(tǒng)組成原

理框圖如圖1-1所示。

圖1-1伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1．調(diào)節(jié)元件

控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變

換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

2．執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被

控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電動機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。

3．被控對象

機械參數(shù)量包括位移、速度、加速度、力和力矩為被控對象。

4．檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳

感器和轉(zhuǎn)換電路。

5．比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入之間的偏

差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

1.2.2伺服系統(tǒng)的分類

伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法如下：

2

項目1緒論

1．按被控量參數(shù)特性分類

按被控量不同，機電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。其他系統(tǒng)還

有溫度、濕度、磁場、光等各種參數(shù)的伺服系統(tǒng)。

2．按驅(qū)動元件的類型分類

按驅(qū)動元件的不同可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)。電氣伺服

系統(tǒng)根據(jù)電動機類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進電動機控制伺

服系統(tǒng)。

3．按控制原理分類

按自動控制原理，伺服系統(tǒng)又可以分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)

控制伺服系統(tǒng)。

開環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維護，但由于沒有檢測環(huán)節(jié)，系統(tǒng)精度低、

抗干擾能力差。閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)能及時對輸出進行檢測，并根據(jù)輸出與輸入的偏差，實時

調(diào)整執(zhí)行過程，因此系統(tǒng)精度高，但成本也大幅提高。半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的檢測反饋環(huán)節(jié)

位于執(zhí)行機構(gòu)的中間輸出上，因此一定程度上提高了系統(tǒng)的性能。例如，位移控制伺服系統(tǒng)

中，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，增設的電動機速度檢測和控制就屬于半閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。

1.2.3伺服系統(tǒng)的性能要求

對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度、快速響應性和節(jié)能。

①穩(wěn)定性好：作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者

在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，在給定輸入或外界干擾作

用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者恢復到原有平衡狀態(tài)。

②精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控

機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm

之間。

③快速響應性好：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量隨輸入指令信號變

化的迅速程度；二是指動態(tài)響應過程結(jié)束的迅速程度?？焖夙憫允撬欧到y(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的

標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms

以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升

率要大。

④高效節(jié)能：由于伺服系統(tǒng)的快速響應，注塑能夠根據(jù)自身的需要對供給進行快速的調(diào)

整，能夠有效提高注塑機的電能的利用率，從而達到高效節(jié)能。

1.2.4伺服系統(tǒng)的主要特點

伺服系統(tǒng)的主要特點如下：

①精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

②有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋

比較的方法也不相同。常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。

3

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

③高性能的伺服電動機：用于高效和復雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻

繁啟動和制動過程中。要求電動機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速度

或制動力矩。要求伺服電動機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機械運動

部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

④寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機床的位

置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實

際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電動

機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能

的寬調(diào)速系統(tǒng)。

1.2.5伺服放大器的典型產(chǎn)品

1．三菱伺服驅(qū)動器（MR-J3-A）

AC伺服原理：

①構(gòu)成伺服機構(gòu)的元件稱為伺服元件。由驅(qū)動放大器（AC放大器）、驅(qū)動電動機（AC伺

服驅(qū)動電動機）和檢測器組成。圖1-2為伺服機構(gòu)示意圖，圖1-3所示為伺服放大器主回路。

圖1-2伺服機構(gòu)示意圖

圖1-3伺服放大器主回路

a.整流回路：將交流轉(zhuǎn)變成直流，可分為單向和三相整流橋。平滑電容：對整流電源進

行平滑，減少其脈動成分。

b.再生制動：所謂再生制動就是指電動機的實際轉(zhuǎn)速高于指令速度時，產(chǎn)生能量回饋的

現(xiàn)象。再生制動回路就是用來消耗這些回饋能源的裝置。

4

項目1緒論

按照再生制動回路的種類，可分為：電容再生方式（小容量：0.4kW以下）、電阻再生

制動方式（中容量0.4～11kW）、電源再生方式（大容量11kW以上），其中電阻再生制動方

式又可分為內(nèi)置電阻方式、外接電阻方式、外接制動單元方式。

c.逆變回路：生成適合電動機轉(zhuǎn)速的頻率、適合負載轉(zhuǎn)矩大小的電流、驅(qū)動電動機。逆

變模塊采用IGBT開關(guān)元件。

d.動態(tài)制動器：具有在基極斷路時，在伺服電動機端子間加上適當?shù)碾娮杵鬟M行短路消

耗旋轉(zhuǎn)能，使之迅速停轉(zhuǎn)的功能。

②轉(zhuǎn)矩特性：三菱伺服電動機屬于永磁同步電動機，伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與電流成正

比，其從低速到高速都可以以恒定轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)。

負載率與動作時間的關(guān)系如圖1-4所示。

圖1-4負載率與動作時間的關(guān)系

③編碼器的種類和結(jié)構(gòu)如表1-1所示。

表1-1編碼器的種類和結(jié)構(gòu)

項目增量編碼器絕對編碼器

a.輸出相對值；a.輸出絕對值；

輸出內(nèi)容

b.針對旋轉(zhuǎn)角度的變化量輸出脈沖b.輸出旋轉(zhuǎn)角度的絕對值

停止時的

接通電源時需要原點復位動作接通電源時無須原點復位動作

應對

價格結(jié)構(gòu)較簡單，價格低結(jié)構(gòu)較復雜，價格高

結(jié)構(gòu)

5

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

續(xù)表

項目增量編碼器絕對編碼器

該裝置的旋轉(zhuǎn)圓盤上設有很多光學槽，使發(fā)光二極管的光通在電動機軸上安裝絕對編碼器，即可隨時檢

補充說明過固定槽，再利用光電二極管檢測該光束，并將槽的位置轉(zhuǎn)換測電動機軸的固定位置，由于不需要脈沖計

為電信號數(shù)，故接通電源時無須原點復位動作

2．三菱伺服驅(qū)動器（MR-J2S-A）

（1）性能

①采用高分辨率的編碼器131072/rev(17位）。

②采用高性能的CPU，大大提高了產(chǎn)品的響應性（速度環(huán)路頻率響應提到550kHz，

MR-J2S系列是高速定位應用的最佳裝置）。

③輕松構(gòu)建絕對值系統(tǒng)（MR-J2S系列所適配的電動機均采用絕對值編碼器，要在伺服

放大器中安裝一個電池）。

④模型自適應控制/高級實時自動調(diào)諧。

⑤機械分析功能：輕松實現(xiàn)抑制機械振動。

⑥增益搜索功能：自動找出最佳增益值。

⑦電動機的自動ID識別。

伺服產(chǎn)品說明如圖1-5所示。

圖1-5伺服產(chǎn)品說明

伺服放大器型號說明如圖1-6所示。

6

項目1緒論

圖1-6伺服放大器型號說明

電動機型號說明如圖1-7所示。

圖1-7電動機型號說明

（2）控制模式

①位置控制模式。

②速度控制模式。

③轉(zhuǎn)矩控制模式。

④位置/速度控制切換模式。

⑤速度/轉(zhuǎn)矩控制切換模式。

⑥轉(zhuǎn)矩/位置控制切換模式。

3．三菱伺服放大器（MR-J3-B）

MR-J3-B伺服放大器通過高速同步網(wǎng)絡與伺服系統(tǒng)控制器連接，并通過直接讀取定位數(shù)

據(jù)進行操作。利用指令模塊的數(shù)據(jù)執(zhí)行伺服電動機的轉(zhuǎn)速/方向控制和高精度定位。與現(xiàn)

SSCNET相比，通過采用光通信系統(tǒng)，連接MR-J3-B伺服放大器的SSCNET大大提高了通

信速度和噪聲誤差。對于接線距離，兩極之間的距離最長可達50m。為了保護主電路的功率

晶體管不會受到快速、加/減速或過載引起的過流的影響，伺服放大器具有夾緊（clamping）

7

伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

轉(zhuǎn)矩限制電路。此外，轉(zhuǎn)矩限制值可以通過參數(shù)進行設置。由于新的系列具有USB通信功

能，可以利用安裝在個人計算機上的伺服設置軟件進行參數(shù)設置，試運行，狀態(tài)顯示監(jiān)控，

增益調(diào)整等。利用實時自動調(diào)諧，可以根據(jù)機器自動調(diào)整伺服增益。

1.3伺服控制系統(tǒng)在機床行業(yè)的應用

伺服系統(tǒng)雖是近年來才開發(fā)出來的自動化產(chǎn)品，但是無論從性能上還是從功能應用上都

是自動化行業(yè)的時尚先鋒。尤其以伺服系統(tǒng)在機床上的應用更為耀眼。

按機床中傳動機械的不同將伺服分為進給伺服與主軸伺服。

進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給

伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。

主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需要完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。

但當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時，對主軸也提出了相應的位置控制要

求。因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，有準?？刂?，主軸與進給聯(lián)動。

與進給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨著微處理

器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)時代。

目前，在數(shù)控機床上使用的伺服控制系統(tǒng)，其優(yōu)點主要有：精度高，伺服系統(tǒng)的精度

是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度，包括定位精度和輪廓加工精度；穩(wěn)定性好，穩(wěn)定性

是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原

來的平衡狀態(tài)，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度；快速響應，它是伺服系統(tǒng)動態(tài)品

質(zhì)的重要指標，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度；調(diào)速范圍寬，其調(diào)速范圍可達0～30m/min；低速

大轉(zhuǎn)矩，進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩，主

軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩，在高速時為恒功率控制，具

有足夠大的輸出功率。

在機床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng)，有3種類型：模擬形式、數(shù)字

形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，位置控制通常由上位機實現(xiàn)；數(shù)字

伺服可實現(xiàn)一機多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模擬指令和脈沖指令，各種參數(shù)

均以數(shù)字方式設置，穩(wěn)定性好，具有較豐富的自診斷、報警功能；軟件伺服是基于微處理器

的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電動機的監(jiān)控程序以軟件實

現(xiàn)，使用時由用戶設置代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動進入工作狀態(tài)，配有數(shù)字接口，改變工作方

式、更換電動機規(guī)格時，只需重設代碼即可，故又稱萬能伺服。

作為機床工具，尤其是數(shù)控機床的重要功能部件，交流伺服運動控制產(chǎn)品的系統(tǒng)特性一

直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標。近些年，國內(nèi)外各個廠家都相繼推出了交流伺服運動控

制的新技術(shù)和新產(chǎn)品，比如全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電動機驅(qū)動技術(shù)、PCC（可編程

計算控制）技術(shù)、基于現(xiàn)場總線的交流伺服運動控制技術(shù)、運動控制卡、DSP（數(shù)字信號處

理）多軸運動控制器等。隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡制造等先進制造技術(shù)的發(fā)展，

具有網(wǎng)絡接口的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)關(guān)注

8

項目1緒論

的熱點，并成為交流伺服運動控制產(chǎn)品的發(fā)展方向。

臥式數(shù)控機床由CNC（計算機數(shù)字控制機床）控制器，伺服驅(qū)動及電動機、電器柜和數(shù)

控機床的機架四部分組成。其工作原理：通過CNC內(nèi)配置的專用編程軟件，將加工零件的

軌跡用坐標的方式表達出來，把這些信息轉(zhuǎn)化成能使驅(qū)動伺服電動機的帶有功率的信號(脈沖

串)，控制伺服電動機帶動相應軸來實現(xiàn)運動軌跡。同時，刀架上配有數(shù)控車刀，通過按加工

材質(zhì)配置相應的刀具，對固定于主軸上的加工材料進行切削，即可加工出相應的工件。

1.4伺服控制系統(tǒng)在紡織行業(yè)的應用

下面通過具體的實物進行說明。

1．織機

圖1-8所示為劍桿織機，圖1-9所示為噴氣織機，圖1-10所示為毛巾織機，其控制電路

以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，或以單片機代替。圖1-11為電子送經(jīng)機構(gòu)示意圖，

電子送經(jīng)機構(gòu)由張力信號采集系統(tǒng)、信號處理和控制系統(tǒng)、織軸驅(qū)動裝置三部分組成。裝在

雙后梁上的壓力傳感器檢測經(jīng)面張力，PLC檢測張力反饋信號，信號經(jīng)PLC內(nèi)部處理后控制

伺服系統(tǒng)，伺服電動機通過蝸輪、蝸桿傳動至織軸上，控制送經(jīng)速度，從而實現(xiàn)恒張力自動

控制，保證織軸由大變小的過程，保持張力均勻。

圖1-8劍桿織機

圖1-9噴氣織機

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伺服系統(tǒng)應用技術(shù)

圖1-10毛巾織機

圖1-11電子送經(jīng)機構(gòu)示意圖

2．電子卷取機構(gòu)

電子卷取是根據(jù)織物要求的緯密，通過觸摸屏輸入織物緯密，由PLC控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)

織物定量定速的卷取。采用伺服電動機作為動力，電動機通過減速器，由同步帶動到卷取傳

動軸，通過錐齒輪變向后，帶動刺毛輥傳動，對包覆在輥上的織物進行卷取。圖1-12為電子

卷取機機構(gòu)示意圖。

圖1-12電子卷取機構(gòu)示意圖

3．計算機橫機

全自動計算機橫機是針織行業(yè)中技術(shù)含量較高的機械，它集成了計算機數(shù)字控制、電子

驅(qū)動、機械設計、電動機驅(qū)動、針織工藝等技術(shù)為一體，可以編輯非常復雜的手搖橫機無法

完成的衣片組織。伺服應用在橫機已廣泛應用。圖1-13所示為計算機橫機。

10

項目1緒論

圖1-13計算機橫機

（1）機頭驅(qū)動系統(tǒng)

計算機橫機工作時是通過主伺服電動機拖動橫機機頭做往復運動實行編制。在伺服配套

使用的計算機橫機廠家機頭驅(qū)動采用伺服和同步齒形帶驅(qū)動，機頭可以自動調(diào)節(jié)行程。一般

伺服到機頭有兩級減速傳動（65∶45∶25），高低速運行時要求伺服電動機機頭平穩(wěn)，無抖動

和振動噪聲，機頭換向也就是伺服電動機在正反轉(zhuǎn)交替時要平滑無明顯打頓、強烈抖動現(xiàn)象。

目前，選用EDBIKW、1000r/min交流伺服電動機。

（2）針床移位系統(tǒng)

計算機橫機，針床橫移一般采用伺服/步進電動機-滾珠絲桿螺母副傳動來實現(xiàn)。搖床電

動機與滾珠絲桿用同步齒形帶結(jié)，同步帶輪減速比一般為24∶15，編制中需要針床橫移是要

求伺服電動機平穩(wěn)、精確、快速地響應。目前選用EDC750W、3000r/min的伺服電動機。

11

項目2伺服電動機與伺服測量系統(tǒng)

凡是要定量地描述事物的特征和性質(zhì)的地方，都離不開測量。測量就是用專門的技術(shù)工

具靠實驗和計算找到被測量的值（大小和正負），測量的目的是為了在限定時間內(nèi)盡可能正確

地收集被測對象的未知信息，以便掌握被測對象的參數(shù)和對其運動、變化過程的控制。

檢測系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分。運動控制系統(tǒng)中的檢測系統(tǒng)就是要實時地對被測

對象的運動參數(shù)（位移、速度、加速度、加加速度和力、扭矩等機械量）進行檢測和數(shù)據(jù)處

理的系統(tǒng)。

2.1伺服電動機基本原理

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，

三菱伺服電動機技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動產(chǎn)

品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，原來的直

流伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)采用全

數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。

交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展主要優(yōu)點如下：

①無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。

②定子繞組散熱比較方便。

③慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

④適用于高速大轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)。

⑤同功率下有較小的體積和質(zhì)量。

伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電動機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)

1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移。因為伺服電動機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服

電動機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電動機接受的脈沖形成了

呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電動機，同時又收了多少

脈沖回來。這樣，就能夠很精確地控制電動機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確定位，可以達到0.001mm。

直流伺服電動機分為有刷電動機和無刷電動機。有刷電動機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，

調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換電刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。

因此，它可用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

交流伺服電動機是無刷電動機，分為同步電動機和異步電動機，目前運動控制中一般都

用同步電動機，它的功率范圍大，慣量大，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低，

項目2伺服電動機與伺服測量系統(tǒng)

因而適合低速平穩(wěn)運行。

伺服電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U、V、W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在

此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電動機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目

標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電動機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

交流伺服電動機的工作原理和單相感應電動機無本質(zhì)上的