伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯这三种，在不同的应用场景下，我们该如何选择伺服电机的控制方式呢？

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伺服电机脉冲控制方式

在一些小型单机设备，选用脉冲控制实现电机的定位，应该是最常见的应用方式，这种控制方式简单，易于理解。

 

基本的控制思路：脉冲总量确定电机位移，脉冲频率确定电机速度。选用了脉冲来实现伺服电机的控制，翻开伺服电机的使用手册，一般会有如下这样的表格：

 

 

都是脉冲控制，但是实现方式并不一样：

 

第一种，驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转。

 

运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。具有差分的特点，那也说明了这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式。但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口，对高速脉冲口紧张的情况，比较不适用。

 

第二种，驱动器依然接收两路高速脉冲，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态。选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行。和上面的情况一样，这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。

 

第三种，只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由一路方向IO信号确定。这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用也最少。在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。

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02 伺服电机模拟量控制方式

在需要使用伺服电机实现速度控制的应用场景，我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制，模拟量的值决定了电机的运行速度。

 

模拟量有两种方式可以选择，电流或电压。

 

电压方式：只需要在控制信号端加入一定大小的电压即可，在有些场景甚至使用一个电位器即可实现控制，非常的简单。但选用电压作为控制信号，在环境复杂的场景下，电压容易被干扰，造成控制不稳定。

 

电流方式：需要对应的电流输出模块，但电流信号抗干扰能力强，可以使用在复杂的场景。

 

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03 伺服电机通信控制方式

采用通信方式实现伺服电机控制的常见方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信方式来对电机进行控制，是目前一些复杂、大系统应用场景首选的控制方式。在这种方式下，系统的大小、电机轴的多少都易于裁剪，没有复杂的控制接线。搭建的系统具有极高的灵活性。

 

 

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04拓展部分

1、伺服电机转矩控制

 

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。

 

主要应用在对材质受力有严格要求的缠绕和放卷装置中，例如绕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、伺服电机位置控制：

 

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，数控机床、印刷机械等等。

 

3 、伺服电机速度模式：

 

通过模拟量或脉冲频率的输入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机反馈以做运算用。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。

 

4、谈谈3环

 

伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

 

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

 

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

 

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基础知识

 

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伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。今天，让我们一起来详细了解伺服控制系统的3个控制方式和3个环控制。

 

1伺服系统组成（自上而下）

控制器：PLC，变频器，运动控制卡等其他控制设备，也称为上位机；

伺服驱动器：沟通上位机和伺服电机，作用类似于变频器作用于普通交流马达。

伺服电机：执行设备，接受来自驱动器的控制信号；

机械设备：将伺服电机的圆周运动（或直线电机的直线运动）转换成所需要的运动形式；

各类传感器和继电器：检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或驱动器做为某些动作的判断标准。

 

2伺服控制方式

三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。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。

▶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。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；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做。

一般说驱动器控制的好坏，有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。

当转矩控制或速度控制时，通过脉冲发生器给它一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时频率的高低，就能说明控制的好坏了，一般电流环能做到1000HZ以上，而速度环只能做到几十赫兹。

 

 

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，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.速度控制

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。

 

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伺服 3环

 

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伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

为机器设计选择伺服电机系统，首先要了解构成伺服电机或伺服驱动系统的组件。伺服系统是闭环系统，用于控制某些所需的运动，它们包括一个反馈装置，可在电机和驱动器之间提供恒定信息，以精确控制被驱动机构的位置、速度和转矩。

通常，伺服设计是高动态系统，涉及带动负载快速的加速和减速。它们在四个象限中运行，这意味着它们可以控制转矩和速度，无论是正还是负。

伺服驱动的选型需要一个系统性的解决方案。换言之，是一个需要考虑整体机械，电气和编程参数的整体方法。该系统包括确定机械负载、运动曲线（包括定位要求），伺服电机特性，以及电机和其他组件所处环境；特别是当电机以接近恒定的速度运行时，对成品、物料和/或加工过程自身所产生影响。

机械负载和运动曲线参数

让我们从理解机械负载和运动要求的含义开始。基础牛顿物理学断言：力（或旋转方向的转矩）与质量（旋转惯性）乘以加速度成正比，无论加速度是正还是负。在运动设计的背景下，机器构造具有其自身的质量和所承载负载的质量。

因此，确定机械部件很重要——特别是运动质量和所需的运动曲线。将旋转运动转化为直线运动的办法千差万别，并受精度、负载、运动动力学和环境等因素影响。

一旦了解了所使用的机制，理解运动动力学对确定最佳伺服电机解决方案来说非常重要。运动曲线不仅包括从一点到另外一点的运动，而且还包括在这一运动中可能运用的功能，比如与部件加工相关的推力。加速，匀速和减速，以及停留和暂停时间，都包括在系统的整体运动曲线中。分度移动可能是简单的三角运动，可变梯形或1/3-1/3-1/3（与RMS转矩相关的最高效运动）。

图 1 伺服系统选型和选择工具

很多厂商提供选型和选择工具，以帮助用户根据应用的运动要求构建运动配置文件。大部分软件工具，比如科尔摩根的Motioneering平台提供多种运动描述方式，可以协助您计算加速度、运动时间、距离、速度和停留时间。图1显示了基本的1/3-1/3-1/3曲线，引入了50%的加加速度以平滑加速度。在本例中，我们选择在1秒中移动8英寸，并使用50%的加加速度和2秒的停留时间。系统根据加速时间的1/3，匀速的1/3，以及减速度的1/3来计算运动。使用工具计算出的最大速度为720in/min。可以看到“S”曲线轮廓（基于50%的加速度）。此外，对于该运动，可以看到在运动横向部分应用了推力负载（红线）——这种运动曲线可能是正在进行加工。停留时间也可以看到为3秒。停留部分非常重要，因为所有与该曲线相关的参数将被用来计算RMS转矩，它将是我们用来选择正确电机的一个度量。除了运动曲线外，理解负载在分辨率、精度和重复性的实际定位要求也很重要。这将受到反馈装置选择和（更显著地）以间隙和柔量形式的机械配件空动量的直接影响。

除非设计可以使用直驱动电机解决方案，否则它将包括某些类型的机械传动。旋转变线性的动力传动（将旋转电机输出转换成轴行程）可通过皮带轮驱动，或基于螺杆的机构完成，比如滚珠丝杠。旋转传动包括齿轮箱或皮带驱动组件，以便使用各种尺寸的滑轮作为减速器。在某些应用中，被移动的部件对总运动质量具有显著贡献。一种特殊情况就是机器轴必须移动变化的质量——比如在机器人系统的分配或加工过程中。其中总负载变化可能是调整伺服驱动的一个因素。

运动中的组件必须将其惯量求和并反射回电机轴，除惯量外，还必须考虑外力、摩擦和低效率问题。

伺服设计的环境考虑因素

这还没有结束。在确定伺服设计时，只有某些可用的机构才能经济高效地提供所需的运动、承载能力和精度。经常被忽视的一个考虑就是伺服系统运行所在的环境。大多数伺服电机的额定工作温度为40℃——这是一个非常温暖的环境，但在许多工厂和工业环境中都是典型的。

驱动电子器件的耐热性不是很高，并且由于它们的额定环境温度也是40℃，因此管理它们运行处的环境温度成为一个挑战。通常，需要在控制柜内采用强制冷却方法，以保持适当的环境条件（温度和湿度）。因此，必须考虑电机和驱动器所在的位置。当然，可以将电机直接安装或集成到设备上，以驱动承载负荷的机制。相比之下，集中式方案中的驱动器位于控制柜内——它通常需要获得冷却。

制造商根据电机运行的环境条件来定义部分电机性能。如上所述，许多设计人员假定电机的额定环境温度为40℃，但是偶尔提供的电机规格是25℃。因此，在审查规格时要注意了解所公布的额定参考值。如果机器运行的环境温度超过额定环境温度，电机将无法达到额定功率。

其他环境条件可能会影响到电机油漆和密封件以及其他机械子组件。灰尘，污垢，潮湿，喷雾冲洗，卫生要求，爆炸性环境，真空环境以及辐射都需要特殊的伺服电机，具有针对当前恶劣环境量身定制的物理特性。

选择过程

在确定所需要的电机/驱动器系统构成时，前期选型工作的很大一部分来自机械和环境。现在，当用户选择最终产品时，必须考虑该系统所包含的其余系统组件。机械和环境将会继续影响对于反馈元件、布线以及最终选择的控制架构。

反馈考虑和伺服电机特性

根据定义，伺服系统具有在运行过程中测量速度、位置和其他系统参数的反馈装置。制造商可能只有有限的选择，但是应仔细考虑具体的应用参数，包括冲击负载和定位精度以及可重复性，这至关重要。旋转变压器往往在严苛环境下具有出色的性能，特别是对于较高的冲击负荷。旋转变压器是旋转的变压器，包括定子和转子部分围绕内核的缠绕线圈。相对于可能含有玻璃盘元件的编码器，这种结构允许以更高的温度运行，并且对于高冲击负载具有更高的耐受性。

正弦编码器可以提供高分辨率，高达24位以及更高，以获得最佳定位精度。一些混合编码器可以通过更好的分辨能力来提供旋转变压器的稳健性。这些智能编码器基于具有电子元件的旋转变压器，可以解读正弦和余弦信号，并将它们转换成高分辨率的数字信号，该信号将被传递给伺服驱动器，以便用于速度和位置反馈。

目前，最新的编码器提供各种通信协议（EnDAT，BiSS和DSL），并提供高分辨率和低噪声能力，以帮助实现向伺服驱动器和控制器提供最佳反馈信号。

另外一个取决于应用要求的反馈选择就是需要绝对位置反馈还是增量反馈。在旋转系统中，一旦使用单圈设备完成360度旋转，就可以从0开始计数。而多圈绝对编码器可以让系统知道它的位置，不仅是电机在360度旋转中的位置，而且知道在每个方向上它所完成的圈数。因此，它知道自己的精确位置。知道这一点和工具及其他轴的位置非常重要。另一方面，简单的增量编码器可以确定在一个单圈旋转中的位置，但是只有在上电周期中找到零点之后。因此，用户将不知道完成了多少个周期，甚至是在上电时在360度旋转中的绝对位置。

除了伺服电机和伺服驱动器本身之外，实际上二者之间的接线也很重要。电缆柔韧性（通过其允许弯曲半径加以定义）是一个主要考虑因素，特别是当电缆与轴一起运动时。

电缆长度可能受所考虑编码器类型的限制。阻抗，压降等电缆参数，结合编码器的信号强度是长度考虑方面的关键要素。市场上提供的一些较新的设备以非常高的传输速率向驱动器（比如DSL，EnDat和BiSS）传输串行信息，这些信息将会受到长度的影响，特别是阻抗和信噪比。甚至连接器也在“反馈”循环中起作用，因为连接器需要处理从这些设备生成的各种信号。与电机功率相关的另外一个电缆长度要素与当今PWM驱动器中涉及的高开关频率相关。电机电源线中存在噪声，当电缆变长并接近电缆上频率波长的一半时，将会形成一个天线。天线会发送或接收信息（在这种情况下产生噪声），这是不应该出现在高性能系统中的。

最后一个参数：运动控制和网络——集中式与分散式

最后一个考虑因素可能会造成整体设计过程重复（以及改变设计的其他指定组件）的一项考虑就是系统架构。工程师必须要问：我应当专注于一种带有驱动器、控制器和支持电子器件，并封装在一个集中机柜内的集中控制系统，还是将驱动器在机器上加以分散（一种分布式系统方法）才更加有利，性价比更高？具有多个轴（这些轴可能分散在机器各个位置）的机器，将是分布式解决方案的理想候选者。这种方法可以大幅减少电缆需求，节省长电缆的布线以及与这些电缆配套的电缆槽和支架相关的成本。此外，将驱动器移出机器可以减小容纳控制和支持电子组件所需机柜的尺寸，从而再次降低成本，并降低机柜内的冷却要求。另一方面，紧凑型并具有较少轴数的机器将不会受益于传统集中式方法。

结论

在针对应用选型伺服系统时必须考虑许多事情，在本文中已经介绍了其中的许多要素。影响组件选择的另一个选择就控制系统。控制类型通常在机器设计讨论的早期阶段就已经指定，并取决于多种因素，同时控制选择通常锁定现场总线通信标准的选择。

最近几年，伺服电机使用越来越广泛，中国大陆市场的使用量随之激增，伺服电机维修这种技术服务需求也越来越迫切。由于国内使用的伺服电机大都是进口产品，技术含量很高，国外的伺服电机生产商为了垄断维修服务市场，采取了非标准的编码器或是非标准的安装方式，使伺服电机维修变得比较困难，形成了伺服电机维修是一门杰出的技术本领。

　　
伺服电机维修分为机械部分维修和电气部分维修。

　　
1、机械部分维修为轴承损坏更换。相对于普通电机的维修，只是轴承上特殊了。因为大多数伺服电机是同步电机，转子上带磁极，用普通材料不能够解决问题，所以材料定制变得尤其关键，同时对位要求也比普通电机更高。

　　
2、电气部分维修主要为绕线、磁铁和编码器的维修。

只要根据原有电机的线路和线径绕回去就可以了，前提是选用优质的铜线。
 

充磁需要有一定技术含量，通常为机外充磁与拆开充磁，前者适合一些定子磁场的充磁;而拆开充磁需要有技巧，除了需获知原有马达的磁强，还需要了解分布情况，同时形状要有保证。大部分早期的伺服电机用的基本是质量稍差差的黑磁，充磁后一般用的也不久，有些治标不治本，为节约成本可以考虑，但我们不建议采用。我们会重新选择耐高温、耐高电磁干扰的铁氧体磁铁进行全部更换。

　　
编码器更换与维修是伺服电机维修中考验技术含量的地方，毕竟进口的伺服电机大多是非标准的通讯格式。早期增量型产品的可以互相配换，但新一代产品已经形成各自不同的内部标准，不同厂家具备不同的标准模式，加上脉冲密度过大，另外编码器的对位有不同的算法，使各个品牌产品缺少了共用性，造成维修的难度加大。

 

伺服电机维修存在负载测试的难题，试机是一个技术看点。通常的小作坊较难保证修复的伺服电机试验过再出厂，基本上是感觉大概修复了，缺少相应的负载测试平台。所以用户在选伺服电机维修的时候需要了解清楚服务商的技术实力。

　　
伺服电机维修故障范围：
 

维修故障：

• 　　磁铁爆钢、磁铁脱落、卡死转不动、

• 　　编码器磨损、码盘/玻璃盘磨损破裂、

• 　　电机发热发烫、电机进水、

• 　　电机运转异常、

• 　　高速运转响声、噪音大，

• 　　刹车失灵、刹车片磨损、

• 　　低速正常高速偏差、高速正常低速偏差、

• 　　启动报警、启动跳闸、

• 　　过载、过压、过流、

• 　　不能启动、启动无力、运行抖动、

• 　   失磁、跑位、走偏差、

• 　　输出不平衡、

• 　　编码器报警、编码器损坏、

• 　　位置不准、

• 　　一通电就报警、一通电就跳闸、

• 　　驱动器伺服器报警代码、

• 　　烧线圈绕组、

• 　　航空插头损坏、

• 　　原点位置不对，编码器调试/调零位、

• 　　更换轴承、轴承槽磨损、

• 　　转子断裂，轴断裂、

• 　　齿轮槽磨损等

 

步进电机和伺服电机在工业传动控制领域都是重要的控制部件，应用面广泛。 但是步进电机和伺服电机有什么不同呢？

 

只有明白了步进电机和伺服电机的不同之处，才能够准确的判断是采用步进电机呢还是伺服电机。

 

 

我们先来看看步进电机和伺服电机的概念。

 

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

 

1， 步进电机和伺服电机的控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为1.8°，三相混合式步进电机步距角为1.2°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。

 

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2500线编码器的伺服电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。

 

对于绝大多数用户而言，无论是机械传动精度，还是光电传感器来定位精度，都没有步进电机伺服电机的物理精度高，单方面追求电机的最高精度是没有必要的。

 

 

2， 步进电机和伺服电机矩频特性不同。

 

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0～900RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为1000~3000RPM）以内，都能输出额定转矩。

 

3， 步进电机和伺服电机过载能力不同。

 

4， 步进电机和伺服电机运行性能不同。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。

 

5， 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。伺服电机是闭环系统，伺服驱动器可以自动修正丢失的脉冲，在堵转时也可以及时给控制器反馈，而步进电机是开环系统，必须通过足够的力矩余量来避免堵转。

 

6， 步进电机和伺服电机速度响应性能不同。

 

7， 步进电机从静止加速到工作转速需要100～2000毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM最短仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

 

8， 步进电机和伺服电机在工业传动控制领域都是重要的控制部件，应用面广泛。但是步进电机和伺服电机有什么不同呢？只有明白了步进电机和伺服电机的不同之处，才能够准确的判断是采用步进电机呢还是伺服电机。 

伺服系统常见问题汇总

1.如何正确选择伺服电机和步进电机？

 

答：主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

 

2.选择步进电机还是伺服电机系统？

 

答：其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。

 

3.如何配用步进电机驱动器？

 

答：根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

 

4. 2相和5相步进电机有何区别，如何选择？

 

答：2 相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。 5 相电机则振动较小，高速性能好，比 2 相电机的速度高30~50% ，可在部分场合取代伺服电机。

 

5.何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？

 

答：直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

 

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），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

 

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。

 

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

 

6.使用电机时要注意的问题？

 

答：上电运行前要作如下检查：

 

1） 电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的 +/- 极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；

 

2） 控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；

 

3） 不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。

 

4） 一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。

 

5） 开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

 

7.步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？

 

一般要考虑以下方面作检查：

 

1） 电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大 50%~100% 的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。

 

2） 上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要 >10mA ），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是CMOS 电路，则也要选用 CMOS 输入型的驱动器。

 

3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。

 

4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。

 

5） 对于 5 相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

 

8.我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？

 

可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP 和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如 S 加速、多轴插补等。

 

9.用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？

 

一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环形或R 型变压器变压的直流电源。

 

10.想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？

 

可以，但需要另外的转换模块。

 

11.有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？

 

可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。

 

12.伺服电机的码盘部分可以拆开吗？

 

禁止拆开，因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。

 

13.步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？

 

不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电机力矩大大下降。

 

14.伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？

 

如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。

 

15.可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？

 

原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决定。

 

16.使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗？

 

正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过速，但可能发生驱动器等故障。

 

此外，必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。

 

事实上，如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话 ( 低于额定电压 ) ，这是很好的。

 

以较低的电压 ( 因此比较低的速度 ) 运行会使得电刷运转反弹较少，而且电刷 / 换向器磨损较小，比较低的电流消耗和比较长的电机寿命。

 

另一方面，如果电机大小的限制和性能的要求需要额外的转矩及速度，过度驱动电机也是可以的，但会牺牲产品的使用寿命。

 

17.如何为应用选择适当的供电电源？

 

推荐选择电源电压值比最大所需的电压高 10%-50% 。此百分比因 Kt， Ke，以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同，因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此应用所有的功率需求，再增加 5% 。按 I = P/V 公式计算即可得到所需电流值。

 

推荐选择电源电压值比最大所需的电压高 10%-50% 。此百分比因 Kt， Ke， 以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同， 因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此应用所有的功率需求，再增加 5% 。按 I = P/V 公式计算即可得到所需电流值。

 

18.对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？

 

不同的模式并不全部存在于所有型号的驱动器中。

 

19.驱动器和系统如何接地？

 

a.如果在交流电源和驱动器直流总线（如变压器）之间没有隔离的话，不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压并不是对大地的，在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。

 

b.在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点上产生流。

 

c. 为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。 它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作（如：编码器的5V电源）。

 

d.屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。

 

20.减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点？

 

如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远超过减速器的转矩等级。

 

如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，减速器的内部齿轮会有太多组合 ( 体积较大、材料多 ) 。

 

这样会使得产品价格高，且违反了产品的“高性能、小体积”原则。

 

21.如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器？

 

行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转矩，而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好。正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。

 

22.何为负载率 (duty cycle)？

 

负载率 (duty cycle) 是指电机在每个工作周期内的工作时间 / （工作时间 + 非工作时间）的比率。如果负载率低，就允许电机以3 倍连续电流短时间运行，从而比额定连续运行时产生更大的力量。

 

23.标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？

 

一般都是可以的。你可以把直线电机就当作旋转电机，如直线步进电机、有刷、无刷和交流直线电机。具体请向供应商咨询。

 

24.直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？

 

可以。根据用户的要求，垂直安装时我们可以加装动子滑块平衡装置或加装导轨抱闸刹车。

 

25.在同一个平台上可以安装多个动子吗？

 

可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。

 

26.是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？

 

可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。

 

27.使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？

 

由于定子和动子之间没有机械连接，所以消除了背隙、磨损、卡死问题，运动更加平滑。突出了更高精度、高速度、高加速度、响应快、运动平滑、控制精度高、可靠性好体积紧凑、外形高度低、长寿命、免维护等特点。

 

28.如何选用电动缸、滑台、精密平台类产品？其成本是如何计算的？

 

选择致动执行器类产品关键要看您对运动参数有什么样的要求，可以根据您需要的应 用来确定具体运动参数等技术条件，这些参数要符合您的实际需要，既要满足应用要求并留有余地，也不要提得太高，否则其成本可能会数倍于标准型产品。举例来说，如果0.1mm精度够用的话，就不要选0.01mm的参数。其它如负载能力、速度等也是如此。

 

另外一个给用户的选型建议是，如果不是必须，推拉力或负重、速度、定位精度这三个主要参数不要同时要求很高，因为致动执行器是一个高精度高技术的机电一体化产品，我们在设计制造时需要从机械结构、电气性能、材料特性、材质和处理方法等多方面考虑并选择相应的组成电机、驱动控制器和反馈装置，以及不同精度等级的导轨、丝杆、支撑座和其它机械系统，使之达到需要的整体运动参数，可谓牵一发动全身的产品。当然，您有高要求的产品需要，我们还是可以满足，只是成本会相应的提高。

1、所谓位置环的“环”，不是我们说的PID闭环，位置不能像速度大小、电流大小那样通过调节器调节；

2、电机转子、运动体的位置可以用编码器也可以直接用位置检测的方法，所以伺服都有直接位置检测信号的输入接口！

 

3、所谓运动控制的方式，主要是看运动体的那个运动参数受到控制：

1）力矩控制模式：就是电机电流闭环控制，例如收、放卷控制系统；

2）速度控制模式：就是速度闭环控制模式，例如机加工的主轴速度的控制；

3）位置控制模式：就是运动体的位置控制，例如机加工的车刀进给控制；

4、三种控制模式的差异：

1）力矩控制模式，电机电流大小受控，速度不受控，负载力矩小时，速度就快，反之，负载力矩大时，速度就慢，速度的大小处于被动变化，而电流、力矩是主动变化；

2）速度控制模式，电机的速度大小受到控制，电流不受控，负载力矩小时，电流就小，反之，负载力矩大时，电流就大，电流的大小处于被动变化，而速度是主动变化；

3）位置控制模式，只要是控制运动体的位移或者位置，速度可大可小，电流可大可小，电流、速度的控制为位移或位置的控制而服务，处于协助、协调、服从、需要的位置；

4）三种模式都有电机的“启、停”，唯有位置控制模式，电机的“起、停”与确定的“起点”和“终点”相关，是确定的“起点”“终点”决定了电机的“起停”！

伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯控制这三种，在不同的应用场景下，该如何确定选择伺服电机控制方式？

 

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伺服电机脉冲控制方式

在一些小型单机设备，选用脉冲控制实现电机的定位，应该是最常见的应用方式，这种控制方式简单，易于理解。基本的控制思路：脉冲总量确定电机位移，脉冲频率确定电机速度。选用了脉冲来实现伺服电机的控制，翻开伺服电机的使用手册，一般会有如下这样的表格：

 

都是脉冲控制，但是实现方式并不一样：

第一种，驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转。运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。具有差分的特点，那也说明了这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式。但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口，对高速脉冲口紧张的情况，比较尴尬。

第二种，驱动器依然接收两路高速脉冲，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态。选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行。和上面的情况一样，这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。

第三种，只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由一路方向IO信号确定。这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用也最少。在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。

 

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伺服电机模拟量控制方式

在需要使用伺服电机实现速度控制的应用场景，我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制，模拟量的值决定了电机的运行速度。模拟量有两种方式可以选择，电流或电压。电压方式，只需要在控制信号端加入一定大小的电压即可。实现简单，在有些场景使用一个电位器即可实现控制。但选用电压作为控制信号，在环境复杂的场景，电压容易被干扰，造成控制不稳定；电流方式，需要对应的电流输出模块。但电流信号抗干扰能力强，可以使用在复杂的场景。

 

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伺服电机通信控制方式

采用通信方式实现伺服电机控制的常见方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信的方式来对电机控制，是目前一些复杂、大系统应用场景首选的控制方式。采用通信方式，系统的大小、电机轴的多少都易于裁剪，没有复杂的控制接线。搭建的系统具有极高的灵活性。

伺服电机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。如果您对电机的速度、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。

一般说驱动器控制得好不好，每个厂家的都说自己做的最好，但是现在有个比较直观的比较方式叫响应带宽。当转矩控制或者速度控制时通过脉冲发生器给他一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时表示已经失步，此时的频率的高低，就能显示出谁的产品牛了，一般的电流环能作到1000Hz以上，而速度环只能作到几十赫兹。

 

换一种比较专业的说法：

1、伺服电机转矩控制

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、伺服电机位置控制

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 、伺服电机速度模式

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。

4、谈谈3环

伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。