CT伺服系统学习资料

伺服系统培训大纲

一：伺服基本原理介绍

1、伺服电机servomotor的基本概念

伺服是“servo”的音译，拉丁文原意是奴隶的意思，后来引申到机电一体化中的术语，意思为运动机械必须按照控制指令准确无误的实现动作，伺服电机和步进电机是实现精确定位的最常见设备，从控制学的角度来讲，一般称之为“运动控制”（motion control）。

伺服电动机作为执行元件，它是把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象。

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）。

CT公司的UNIMOTOR 伺服电机

2、伺服电机的分类与特点：

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类

? 直流伺服电机一般是有刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，

控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，因此对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感并且对电磁环境要求不高的普通工业和民用场合。

? 交流伺服电机是无刷电机，无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，

惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境 ? 交流伺服电机和无刷直流伺服电机比较

? 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，价格便宜。 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)

? 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。

? 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能的比较

总的来说，交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。目前实际应用中，交流伺服电机是主流。

3、交流伺服电机原理

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，

为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

4、交流伺服电机的控制方式

? 转矩控制/电流控制

有些负载，例如螺栓的拧紧枪，主要伺服装置提供必要的紧固力，并且需要根据紧固力的大小来决定伺服驱动的转矩输出。由于伺服装置中的电磁转矩和电枢电流成正比，因此，转矩控制实际上也是电流控制。 ? 速度控制

在速度控制形式中，要求AC伺服在各种运行状态下的速度加以控制，这种控制的应用范围很广，AC伺服驱动的速度控制器通常采用比例积分控制（PI），目的就是控制输出转矩和反向转矩之间的平衡。 ? 位置控制

位置控制是伺服控制中的最体现其性能的控制方式，从结构上来讲，交流伺服的位置控制都是采用的闭环控制，根据反馈信号的源不同，可以分为半闭环伺服控制和全闭环伺服控制。

半闭环伺服控制

全闭环伺服控制

如果位置检测安装在伺服电机轴上，通过检测电动机轴的角位移，间接的反应出运动机构的实际位置，这种方式构成的闭环控制，称为半闭环伺服控制；如果位置的实际值由位置传感器直接检测，并且把位置信息和位置指令进行比较，进而控制AC伺服电动机的输出，这样的闭环控制称之为全闭环伺服控制。

从性能上讲，全闭环伺服更精确、直接；半闭环伺服控制结构更简单。

5、伺服电机的选型方法

? 伺服电机和步进电机的性能比较

运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同

一般伺服电机的精度要更高，步进电机两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。

二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、转矩特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力，其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

? 伺服电机的选型计算方法

?

转数：对于同等功率的电机可以选配不同转数的电机，一般来说，转数越低，价格越便宜。 ? ?

扭矩：必须满足实际需要，但是不需要像步进电机那样留有过多的余量。 惯量：根据现场要求选用不同惯量的电机，如机床行业一般选用大惯量的伺服电机。

? CT伺服电机的型号说明

如下图所示，CT伺服电机的型号说明如下：第一组95代表电机的尺寸规格；第二组UM代表电机的电压等级；第三组B代表轴长度；第四组30代表电机的额定转速；第五组 0/1代表电机是否带抱闸；第六组 C代表电机接线的类型；第七组B代表是否有轴套；第八组 C代表编码器类型；第九组 A代表安装标准，以及减速器的加速比；最后一组 A代表电机的特殊类型。

CT公司的UNIMOTOR 伺服电机的型号说明

二：旋转编码器介绍

1、 旋转编码器原理

在工业领域，旋转编码器是用来检测角度、位置、速度和加速度的传感器，在伺服系统中旋转编码器一般检测的都是位置或者角度信号。编码器可以把实际的机械参数值转换成电气信号，这些信号可以给计数器、转速表、PLC、PC等设备来处理，也可以作为伺服驱动的反馈装置。

P+F的旋转编码器

从结构上看，旋转编码器的内部码盘都是用玻璃或者塑料制成的圆盘，圆盘被划分为透明或者不透明的栅格，编码器内部的光源会对准某一方向，光敏元件固定在栅格的外侧，当编码器旋转的时候，如果光线打到透明区域，光敏元件就会产生正向脉冲，反之，光敏元件没有输出，具体如下图所示。一般编码器中的光源是发光二极管，而光敏元件是光敏二极管或者光敏晶体管。

编码器脉冲产生示意图

2、 旋转编码器的分类

从功能上看，旋转编码器分为增量型的旋转编码器和绝对值的旋转编码器

? 增量型旋转编码器：增量式编码器最常见的是正交增量型编码器，正交增量型编码

器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，用于判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，一般用于基准点定位。下图是编码器顺时针和逆时针方向下的脉冲信号。

正交增量型编码器

增量型旋转编码器为了提高信号的抗干扰性，可以增加反相通道，用正向通道

和方向通道之间的差分作为信号输出，如下图所示，可以看出，当A与A非之间的差值为正（一般为5V）时，信号为“1”；反之，如果差值为负（一般为-5V）时,信号为“0”，O代表零脉冲（也可以表示为Z）。

编码器差分输出示意图

这种方式的优点是当线路中有干扰信号的时候，会在电缆上引起感应电压，

如果电缆为双绞线，脉冲干扰将会被差分电压去掉。这种方式符合RS422的传输方式，具体如下图所示：

编码器差分抑制干扰

另外，旋转编码器为了提高信号精度，可以对A、B通道进行双倍频或者四倍频的信号处理，双倍频是指在A通道或者B通道的上升沿和下降沿各产生一个脉冲，四倍频是指在A通道和B通道的上升沿和下降沿都产生一个脉冲。

编码器的双倍频与四倍频输出

增量式编码器还有带频率及方向控制的增量式编码器，以及带正反向脉冲的编码器，这类编码器都不是太常用，具体可以参看下面的示意图。

带频率及方向控制的增量式编码器

带正反向脉冲的增量式编码器

增量型编码器常见的输出类型有以下几种：集电极开路输出、发射极开路输出、推挽式输出等。集电极开路输出、发射极开路输出是最基本的输出方式，而推挽式输出则组合了NPN和PNP的输出方式，提高了脉冲的上升沿，同时抗干扰能力也增强，一般作为集电极开路输出的替代方式。

编码器的输出形式

一般来说，集电极开路和发射极开路输出的是TTL电平，电压等级是是5V；推挽式输出是HTL电平电压等级是10-30V。ＴＴＬ含义是：晶体管－晶体管逻辑(transistor-transistorlogic)；ＨＴＬ含义是：高压晶体管逻辑(high-transistor logic)

? 绝对值旋转编码器：绝对值编码器不产生脉冲，他是直接输出数字量的传感器。在

它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。码道越多，分辨率就越高。

从功能上看，绝对值编码器又分为单圈的绝对值编码器和多圈的绝对值编码器器。单圈绝对值编码器只反映一圈之内的计数值，他把一圈360度等分成最多65536（16位）个测量步，当编码器转过一圈之后相同的测量步会重复出现，因此这种编码器无法判定编码器走了多少圈。多圈绝对值编码器在单圈的基础上配了一个齿轮，这个齿轮最多可以检测16384（14位）个圈数，因此多圈编码器在单圈最多16位的分辨率上，又可以最多增加14位的分辨率，最多可以实现1073741824个位置的分辨率。

因为绝对值编码器输出的是数字信号，所以会有不同的编码形式表示当前位置，一般常用的有二进制的编码和格雷码的编码，这两种的编码示意图如下图所示：二进制编码是多步码，他的优点是可以和十进制直接转换，缺点是安全性比较低，相邻编码会发生多个码跳变。格雷码是单步码，每两个相邻的编码之间只有一个码发生变化，所以这种编码的安全性比较高，缺点是不能和十进制直接转换，需要解码。解码的方法如下：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）.

二进制编码

格雷码编码

绝对值编码器输出常见的信号输出类型主要有以下几种：并行接口，这种方式最直接，每一位数据对应一位输出，直接从码盘上读取，其特点就是传输速率比较快，缺点是接线比较多；SSI接口，既同步串行接口，控制设备发送一串脉冲链，绝对值编码器响应相应的位置数据；以上两种是最常见的方式，另外还有一些工业总线方式的接口的编码器，例如：AS-I接口、CAN总线接口、PROFIBUS接口、DEVICENET接口等类型的编码器，属于比较高级的编码器接口，一般用的不多，成本也很高。

SSI接口的编码器电路示意图

SSI接口的编码器信号变换示意图

?

Sincos旋转编码器：从实现原理来看，Sincos旋转编码器其实是一个旋转变压器，其内部结构采用一相定子绕组输入和两相绕组输出的结构方式，它所配比的R/D（旋转变压器/数字转换器）是检测转子两个绕组输出电压振幅比，以此计算旋转变压器转子角位置。从信号输出的角度来看，他所输出波形和正交增量型编码器类似，只不过输出的不是方波，而是正弦波（余弦波），A相和B相之间同样有90度的相位差，相位差的正负反应编码器的旋转方向。

Sincos编码器的波形图

?

混合式旋转编码器：除了上述型号，编码器还有一种伺服电机专用的混合式的编码器，它是在增量式或者绝对值式的编码器基础上，加装了用于检测AC伺服电动机UVW磁极位置的编码器，由于检测磁极位置实际上是一个绝对式编码器，所以这种编码器称之为混合式。UVW磁极位置输出的3路信号之间的相位差为120度。一般常见的有带UVW反馈信号的正交增量式编码器，带UVW反馈信号的频率及方向控制的增量式编码器，带正反向脉冲的增量式编码器还有带UVW反馈信号的SSI绝对值编码器。下图是CT变频器中带RST反馈信号的编码器波形图（注意RST和UVW的含义是相同的）。

RST信号的输出波形图

?

厂家专有技术的旋转编码器：目前市面上有一些厂家推出属于自身规范的编码器。主要有海德汉公司的EnDat编码器和施克德公司的HIperface编码器。EnDat编码器数据接口是用于编码器的双向数字接口。可以传输绝对式编码器的位置值也可以传输增量式编码器的位置值，还能传输或更新保存在编码器中的信息或保存新信息。由于采用串行数据传输方式，它只需要四条信号线。数据传输保持与后续电子设备的时钟信号同步。传输的数据类型（位置值、参数或诊断信息等）可用后续电子设备发至编码器的模式指令选择。EnDat属于海德汉的专有技术，目前未见向其它同行开放授权，但是用户可以随意使用，而且有软核支持，价格很低。HyperFace是通过RS485通讯在初始时刻读取绝对位置数据，然后再通过对SIN/COS信号的细分获取增量数据，其通讯数率并不高，在CT伺服电机中比较常用。下图是HyperFace SincosEK52的接线示意图和波形图

施克德公司的 SincosEK52

三：CT伺服驱动的介绍

1、 UNIDRIVE SP的驱动介绍

UNIDRIVE SP系列驱动器是CT公司驱动器系列中功能最强大的系列，替代原来的UNIDRIVE系列；他能同时支持包括开环、矢量闭环、伺服闭环等多种控制模式，在FORI的系统广泛应用于底盘盒装线、灯光仪系统、轴距调整、转榖试验台等多种设备中。下面这张图是底盘盒装小车的三个驱动器，依次是前举升、后举升、行走驱动；前后举升工作于伺服模式，行走驱动工作于开环模式。

UNIDRIVE SP变频器

在学习UNIDRIVE SP的过程中，要参考厂家的用户手册来学习，以下部分需要大家需要关注：

? UNIDRIVE SP的选型，UNIDRIVE SP型号的定义在手册的P17页，通过型号就可

以大致判别驱动器的电压等级、功率等级、外形尺寸等，P12-P15是UNIDRIVE SP的选型列表。

UNIDRIVE SP变频器外形尺寸

从下图可以看出，第一组SP表示UNIDRIVE SP系列产品；第二组数字1-9表示变频器的外形尺寸类别；第三组数字0-6，表示变频器的额定工作电压等级，一般常用的是等级4，380V-480V；第四组数字0-3表示的是安装方式，最常见是0：壁挂式安装；第五组参数表示在这个尺寸内的额定电流等级。

UNIDRIVE SP变频器型号说明

? UNIDRIVE SP的选件，UNIDRIVE SP型号的选件在P22页说明，重点掌握

SM-APPlication，Profibus两种选件板卡和SM-LED键盘、内置制动电阻、CT通讯电缆等。

UNIDRIVE SP常见选件

? 安装变频器的注意以下几点，首先是注意变频器的散热，在电气设计的时候注意在

四周的空间预留合适的位置，

UNIDRIVE SP的安装示意图

另外，如果变频器的散热片在柜外的时候需要在散热片加装IP65的防护垫，参看P59页，内置制动电阻的安装参看P66页。变频器控制端子的定义可以参看P100的缺省端子功能。

10、

已有程序的后缀为*.spf文件，其中灯光仪变频器的程序名为SGM_SYPT_HLA.spf，

四轮定位变频器的程序名为SGM_SYPT_WH.spf。根据需要打开相应的项目，进入如下界面：

11、

图中左边的电脑图标表示编程器的设置，右边两个分别表示水平方向和垂直方向的

变频器，图的下侧为系统的组网方式，上图中共有两层网络，一层为CT_RTU，另一层为CT_NET2, CT_RTU用于编程器通过串口访问变频器，CT_NET2用于两台变频器的

之间的通讯，如果系统想通过CT_NET来直接访问变频器，则需要修改编程器的设置，右键单击“Workbench”图标，选择“property”，弹出界面如下： 12、

12、选择“CTNet（CTNet2）”，点击“OK”，通讯界面变成如下

13、然后点击黄色的闪电按钮，把系统切换到在线模式，如果在线成功，闪电按钮会变成绿色。此时，点击Node_1，打开节点1的Application板卡，系统会提示你原有的程序和当前的不同，然后点击确认按钮下载就可以了，Node_2的程序同理也可以这样下载。

5、灯光仪程序的介绍

? 程序结构分析

灯光仪的程序分为水平灯光仪和垂直灯光仪两部分，这两部分的内部逻辑完全是一样的，区别仅在变频器的工艺参数（既用户自定义参数#18.xx，#19.xx）中体现，程序中通过调用工艺参数达到不同的执行效果。从下图中可以看到，变频器的程序分别由Initial、clock、Pos0、Pos1、Backgroud这几部分组成。下面分别介绍这几部分程序的含义：

CT变频器的程序结构

?

Initial：初始化程序，他表示只有在变频器初始上电的时候或者执行变频器复位的时候才执行的程序，本程序只执行一次，一般用做给程序中的变量和参数赋初值。在本程序中除了清理一些中间变量的状态，他还判断工艺参数是否已经赋值，在没有赋值的情况下给工艺参数先赋一个比较合理的初值。 ?

Clock：主循环程序，Clock程序在Initial程序执行完毕之后循环执行，执行的周期由参数#17.11确定，一般默认为10ms，最大可以设200ms，灯光仪程序中，Clock不包含任何逻辑。 ?

POS0、POS1程序：定位功能程序，POS0、POS1一般用作处理定位功能的逻辑处理，执行周期在参数#17.12确定，最短0，25ms，最大8ms，如果本程序不使用的

话，可以将#17.12设置为disable。POS0、POS1的执行优先级要高于Clock程序，根据自身执行的频率可以随时打断Clock程序的执行。POS0、POS1这两个块的区别在于POS0要比POS1先执行，POS0和POS1执行的间隙，要执行系统的定位功能内核。POS0、POS1包含了灯光仪的所有工艺程序，是本程序的核心部分。 ?

Backgroud：背景程序，在系统中的优先级最低，他在clock、POS功能执行完毕后，如果用户规定的clock周期仍然有富余，此时才执行Backgroud程序。一般情况下Backgroud会处理一些故障信息，报警输出等程序，在灯光仪程序中，Backgroud不包含任何逻辑。

? 常用公式及函数分析

灯光仪程序中用到了许多SYPT软件特有的公式或者函数，希望大家能认真理解。下面列举一些主要部分：

?

current_pos% = #90.02 * 65536 + (#90.01/65536) & 0x0000FFFF，这个公式用于计算伺服驱动当前的编码器反馈值，#90.01表示编码器一转内的速度，#90.02表示编码器的当前转数；要注意#90.01只有高字有效，所以要除以65536来处理，#90.02 * 65536表示一圈的编码数为65536，多圈的编码数就是圈数和单圈编码数的乘积。 ?

pitch = float((#18.27*100 + #18.28)/100)，pitch表示用户单位，在这里为mm，这个公式的含义是1mm对应的编码器计数是多少。这个参数可以直接通过PC来设定。代表用户单位和编码器之间的换算。 ?

(XRef%, DXff%, D2Xff%) = SRAMP(Xtrgt%, Xcurr%, DXcurr%, DXpve%, DXnve%, D2Xpve%, D2Xnve%)，SRAMP：S曲线生成函数是定位功能中非常常用的函数，他的目的是根据目标速度或者目标位置和允许的加减速度来生成S曲线的运行轨迹或者S曲线的加速轨迹。

SRAMP函数的运行曲线说明

? Xref%, Xstop%) = VEL2POS(XCurr%, DXCurr%, D2XCurr%, D2Xnve%)。VEL2POS：速度积分函数，用于将当前速度的累积值变成目标位置值，XCurr%表示累积的位置目标值，DXCurr%表示用于累积的当前速度值，D2XCurr%表示计算的加速度值，D2Xnve%表示计算的二次加速度值。

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