什么是伺服電機

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機，是一種補助馬達間接變速裝置。

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，且具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象，轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機工作原理

一、交流伺服電動(dòng)機

交流伺服電動(dòng)機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機相似。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機又稱(chēng)兩個(gè)伺服電動(dòng)機。

交流伺服電動(dòng)機的轉子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機具有較寬的調速范圍、線(xiàn)性的機械特性，無(wú)“自轉”現象和快速響應的性能，它與普通電動(dòng)機相比，應具有轉子電阻大和轉動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。

目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動(dòng)慣量，轉子做得細長(cháng)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子?？招谋无D子的轉動(dòng)慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛采用。 交流伺服電動(dòng)機在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉子靜止不動(dòng)。當有控制電壓時(shí)，定子內便產(chǎn)生一個(gè)旋轉磁場(chǎng)，轉子沿旋轉磁場(chǎng)的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動(dòng)機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機將反轉。

交流伺服電動(dòng)機的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機雖然相似，但前者的轉子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機與單機異步電動(dòng)機相比，有三個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：

1、起動(dòng)轉矩大：由于轉子電阻大，其轉矩特性曲線(xiàn)與普通異步電動(dòng)機相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0＞1，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近于線(xiàn)性，而且具有較大的起動(dòng)轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

2、運行范圍較廣。

3、無(wú)自轉現象：正常運轉的伺服電動(dòng)機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動(dòng)機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉的旋轉磁場(chǎng)與轉子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉矩特性（T1－S1、T2－S2曲線(xiàn)）以及合成轉矩特性（T－S曲線(xiàn)） 交流伺服電動(dòng)機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。 交流伺服電動(dòng)機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線(xiàn)性，并且由于轉子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統。

伺服電機工作原理與伺服電機原理雖然在字面上沒(méi)有太多的不同，當然在意義上的差異也不會(huì )大相徑庭！

1.伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個(gè)脈沖，就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度，從而實(shí)現位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個(gè)角度，都會(huì )發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統就會(huì )知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動(dòng)，從而實(shí)現精確的定位，可以達到0.001mm。

直流伺服電機分為有刷和無(wú)刷電機。有刷電機成本低，結構簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。 無(wú)刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動(dòng)平滑，力矩穩定?？刂茝碗s，容易實(shí)現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長(cháng)壽命，可用于各種環(huán)境。

2.交流伺服電機也是無(wú)刷電機，分為同步和異步電機，目前運動(dòng)控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動(dòng)速度低，且隨著(zhù)功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。

3.伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉子在此磁場(chǎng)的作用下轉動(dòng)，同時(shí)電機自帶的編碼器反饋信號給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器根據反饋值與目標值進(jìn)行比較，調整轉子轉動(dòng)的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線(xiàn)數）。 

簡(jiǎn)單伺服電機的工作原理

伺服電動(dòng)機的工作原理及作用:

伺服電機的作用是驅動(dòng)控制對象。被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時(shí)，電機的轉動(dòng)速度和方向也跟著(zhù)變化。

伺服電動(dòng)機分類(lèi):

交流伺服電動(dòng)機和直流伺服電動(dòng)機。

交流伺服電動(dòng)機:

原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個(gè)繞組—勵磁繞組和控制繞組。

勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90°。

接線(xiàn)：

勵磁繞組的接線(xiàn) 控制繞組的接線(xiàn)

勵磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場(chǎng)。

適當選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90°，因此便產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，在旋轉磁場(chǎng)的作用下，轉子便轉動(dòng)起來(lái)。

例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電流的相量關(guān)系如圖所示。

1）U2= 0 時(shí)，轉子停止。

這時(shí)，雖然U2 =0V，U1仍存在，似乎成單相運行狀態(tài)，但和單相異步機不同。若單相電機啟動(dòng)運行后，出現單相后仍轉。伺服電機不同，單相電壓時(shí)設備不能轉。

原因：交流伺服電機 R2設計得較大。所以在U2=0時(shí)，交流伺服電機的T=f(s)曲線(xiàn)如下頁(yè)圖：

交流伺服電動(dòng)機的T=f(s)曲線(xiàn)（U2=0時(shí)）

當U2=0V時(shí)，脈動(dòng)磁場(chǎng)分成的正反向旋轉磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉距T'、T" 的合成轉矩T與單相異步機不同。合成轉矩的方向與旋轉 方向相反，所以電機在U2=0V時(shí)，能立即停止，體現了控制信號的作用(有控制電壓時(shí)轉動(dòng)，無(wú)控制電壓時(shí)不轉)，以免失控。

（2）交流伺服電機R2設計得較大，使Sm>1，Tst大，啟動(dòng)迅速，穩定運行范圍大。

（3）控制電壓U2大小變化時(shí)，轉子轉速相應變化，轉速與電壓U2成正比。U2的極性改變時(shí)，轉子的轉向改變。

交流伺服電動(dòng)機的機械特性曲線(xiàn)( U1=const )

應用:

交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在自動(dòng)控制、溫度自動(dòng)記錄等系統中。

直流伺服電動(dòng)機

結構：與直流電動(dòng)機基本相同。為減小轉動(dòng)慣量做得細長(cháng)一些。

工作原理：與直流電動(dòng)機相同。

供電方式：他勵。勵磁繞組和電樞由兩個(gè)獨立電源供電：

U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓。

由機械特性可知：

(1)U1（即磁通￠）不變時(shí)，一定的負載下，U2↑,n↑。

(2)U2=0時(shí)，電機立即停轉。

反轉：電樞電壓的極性改變，電機反轉。

應用：

直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統中，它的輸出功率一般為1-600W。它的用途很多，如隨動(dòng)系統中的位置控制等。

伺服電機在工業(yè)機器人中的應用

機器人產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)如火如荼，遍地開(kāi)花，大量機床廠(chǎng)家、伺服廠(chǎng)家和其他有條件的企業(yè)都紛紛轉向機器人市場(chǎng)。為何機床廠(chǎng)家和伺服廠(chǎng)家如此積極轉型研發(fā)機器人?工業(yè)機器人有4大組成部分，分別為本體，伺服，減速器和控制器。

步進(jìn)電機用于驅動(dòng)機器人的關(guān)節，要求是要有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動(dòng)轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。

機器人產(chǎn)業(yè)壯大，需要在伺服、集成控制等領(lǐng)域相繼取得突破才能成行。目前，我國在伺服等領(lǐng)域依然處于待突破階段，對本土機器人產(chǎn)業(yè)造成不利影響。

工業(yè)機器人電動(dòng)伺服系統的一般結構為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對于交流伺服驅動(dòng)器，可通過(guò)對其內部功能參數進(jìn)行人工設定而實(shí)現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的持續推進(jìn)，對于自動(dòng)化軟件及硬件設備的需求都居高不下，其中國內工業(yè)機器人的市場(chǎng)一直穩步增長(cháng)。

目前，由于高啟動(dòng)轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電機在工業(yè)機器人中得到廣泛的應用。其他電機，如交流伺服電機、步進(jìn)電機根據不同的應用需求也會(huì )應用到工業(yè)機器人中。

特別是像機器人末端執行器(手爪)應采用體積、質(zhì)量盡可能小的電機，尤其是要求快速響應時(shí)，伺服電機必須具有較高的可靠性，并且有較大的短時(shí)過(guò)載能力。

具體使用要求：

快速性。

啟動(dòng)轉矩慣量比大。

控制特性的連續性和直線(xiàn)性，隨著(zhù)控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時(shí)還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

調速范圍寬。

體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能夠在短時(shí)間內承受過(guò)載。

伺服電機行業(yè)未來(lái)趨勢

現代交流伺服系統，在經(jīng)歷了從模擬到數字化的轉變后，其內部數字控制環(huán)已經(jīng)無(wú)處不在，比如換相、電流、速度和位置控制等;其實(shí)現主要通過(guò)新型功率半導體器件，像高性能DSP加FPGA、甚至伺服專(zhuān)用模塊也不足為奇。且新的功率器件或模塊每2～2.5年就會(huì )更新一次，新的軟件算法也日新月異，國際廠(chǎng)商的伺服產(chǎn)品大概每5年亦會(huì )更新?lián)Q代——總而言之，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，變化越來(lái)越快?？偨Y國內外伺服廠(chǎng)家的技術(shù)路線(xiàn)和產(chǎn)品路線(xiàn)，結合市場(chǎng)需求的變化，可以看到以下一些伺服電機系統的最新發(fā)展趨勢：

高效率化

盡管高效化一直都是伺服系統重要的發(fā)展課題，但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率：比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結構設計；也包括驅動(dòng)系統的高效率化：包括逆變器驅動(dòng)電路的優(yōu)化，加減速運動(dòng)的優(yōu)化，再生制動(dòng)和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅動(dòng)

直接驅動(dòng)包括采用盤(pán)式電機的轉臺伺服驅動(dòng)和采用直線(xiàn)電機的線(xiàn)性伺服驅動(dòng)，由于消除了中間機械傳動(dòng)設備的（如齒輪箱）傳遞誤差，從而實(shí)現了高速化和高定位精度。而直線(xiàn)電機容易改變形狀的特點(diǎn)可以使采用線(xiàn)性直線(xiàn)機構的各種裝置實(shí)現小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化

采用更高精度的編碼器，更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無(wú)齒槽效應的高性能旋轉電機、直線(xiàn)電機，以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略，不斷將伺服系統的基礎指標（控制速度、控制精度）提高。

一體化和集成化

電動(dòng)機、反饋、控制、驅動(dòng)、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個(gè)發(fā)展方向。有時(shí)我們稱(chēng)這種集成了驅動(dòng)和通訊的電機叫智能化電機，有時(shí)我們把集成了運動(dòng)控制和通訊的驅動(dòng)器叫智能化伺服驅動(dòng)器。電機、驅動(dòng)和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑戰和工程師使用習慣的挑戰，因此很難成為主流，在整個(gè)伺服市場(chǎng)中是一個(gè)很小的有特色的部分。

通用化

通用型驅動(dòng)器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶(hù)在不改變硬件配置的條件下，方便地設置成V/F控制、無(wú)速度傳感器開(kāi)環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場(chǎng)合，可以驅動(dòng)不同類(lèi)型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無(wú)刷直流電機、步進(jìn)電機，也可以適應不同的傳感器類(lèi)型甚至無(wú)位置傳感器?？梢允褂秒姍C本身配置的反饋構成半閉環(huán)控制系統，也可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環(huán)控制系統。

智能化

現代交流伺服驅動(dòng)器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進(jìn)口驅動(dòng)器都具備負載慣量測定和自動(dòng)增益調整功能，有的可以自動(dòng)辨識電機的參數，自動(dòng)測定編碼器零位，有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動(dòng)等控制功能和驅動(dòng)結合在一起，對于伺服用戶(hù)來(lái)說(shuō)，則提供了更好的體驗。

網(wǎng)絡(luò )化和模塊化

將現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、甚至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)集成到伺服驅動(dòng)器當中，已經(jīng)成為歐洲和美國廠(chǎng)商的常用做法?，F代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線(xiàn)標準競爭的焦點(diǎn)就是如何適應高性能運動(dòng)控制對數據傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性、同步性的要求。隨著(zhù)國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開(kāi)發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò )化數字伺服的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為當務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅動(dòng)模塊、電源模塊、再生制動(dòng)模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動(dòng)器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。

從故障診斷到預測性維護

隨著(zhù)機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統的故障診斷和保護技術(shù)已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預測性維護技術(shù)，使得人們可以通過(guò)Internet及時(shí)了解重要技術(shù)參數的動(dòng)態(tài)趨勢，并采取預防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負載變化時(shí)評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時(shí)監視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。

專(zhuān)用化和多樣化

雖然市場(chǎng)上存在通用化的伺服產(chǎn)品系列，但是為某種特定應用場(chǎng)合專(zhuān)門(mén)設計制造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構和嵌入式永磁轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無(wú)刷伺服電機的生產(chǎn)實(shí)現了高效率、大批量和自動(dòng)化，并引起國內廠(chǎng)家的研究

小型化和大型化

無(wú)論是永磁無(wú)刷伺服電機還是步進(jìn)電機都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35mm外徑；同時(shí)也在發(fā)展更大功率和尺寸的機種，已經(jīng)看到500KW永磁伺服電機的出現。體現了向兩極化發(fā)展的傾向。

試驗方法亦在進(jìn)步

和傳統的電機試驗不同，伺服電機的性能主要體現在控制速度和控制精度上，這就出現了一個(gè)問(wèn)題：傳統的電機試驗方法只是針對電機而言的，無(wú)法對伺服系統的控制特性進(jìn)行分析。

針對此現狀，MPT混合型電機測試系統，可通過(guò)自由加載引擎技術(shù)對被試電機進(jìn)行連續動(dòng)態(tài)變化的負載加載，實(shí)現真實(shí)環(huán)境中被試電機的工況模擬，從而可開(kāi)展對應的電機及控制的動(dòng)態(tài)響應控制、實(shí)際工況仿真及老化等各類(lèi)測試，讓電機測試進(jìn)入動(dòng)態(tài)時(shí)代，滿(mǎn)足當前伺服運動(dòng)系統行業(yè)對運動(dòng)控制相關(guān)項目的測試需求。

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