什么是伺服電機

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機工作原理

一、交流伺服電動機

交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似。其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。

目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。 交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

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

1、起動轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線與普通異步電動機相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。

2、運行范圍較廣。

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

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

1.伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)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(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，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機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，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(hù)，但維護(hù)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)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)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(hù)，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

2.交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動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(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。

3.伺服電機內(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(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 

簡單伺服電機的工作原理

伺服電動機的工作原理及作用:

伺服電機的作用是驅(qū)動控制對象。被控對象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電機的轉(zhuǎn)動速度和方向也跟著變化。

伺服電動機分類:

交流伺服電動機和直流伺服電動機。

交流伺服電動機:

原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組—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：

勵磁繞組的接線 控制繞組的接線

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

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90°，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。

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，轉(zhuǎn)子停止。

這時，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。若單相電機啟動運行后，出現(xiàn)單相后仍轉(zhuǎn)。伺服電機不同，單相電壓時設(shè)備不能轉(zhuǎn)。

原因：交流伺服電機 R2設(shè)計得較大。所以在U2=0時，交流伺服電機的T=f(s)曲線如下頁圖：

交流伺服電動機的T=f(s)曲線（U2=0時）

當(dāng)U2=0V時，脈動磁場分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距T'、T" 的合成轉(zhuǎn)矩T與單相異步機不同。合成轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn) 方向相反，所以電機在U2=0V時，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號的作用(有控制電壓時轉(zhuǎn)動，無控制電壓時不轉(zhuǎn))，以免失控。

（2）交流伺服電機R2設(shè)計得較大，使Sm>1，Tst大，啟動迅速，穩(wěn)定運行范圍大。

（3）控制電壓U2大小變化時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓U2成正比。U2的極性改變時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向改變。

交流伺服電動機的機械特性曲線( U1=const )

應(yīng)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(yīng)用很廣泛，如用在自動控制、溫度自動記錄等系統(tǒng)中。

直流伺服電動機

結(jié)構(gòu)：與直流電動機基本相同。為減小轉(zhuǎn)動慣量做得細(xì)長一些。

工作原理：與直流電動機相同。

供電方式：他勵。勵磁繞組和電樞由兩個獨立電源供電：

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，一定的負(fù)載下，U2↑,n↑。

(2)U2=0時，電機立即停轉(zhuǎn)。

反轉(zhuǎn)：電樞電壓的極性改變，電機反轉(zhuǎn)。

應(yīng)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(tǒng)中，它的輸出功率一般為1-600W。它的用途很多，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。

伺服電機在工業(yè)機器人中的應(yīng)用

機器人產(chǎn)業(yè)的增長如火如荼，遍地開花，大量機床廠家、伺服廠家和其他有條件的企業(yè)都紛紛轉(zhuǎn)向機器人市場。為何機床廠家和伺服廠家如此積極轉(zhuǎn)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(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，要求是要有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)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)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(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(qū)動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。

工業(yè)自動化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，對于自動化軟件及硬件設(shè)備的需求都居高不下，其中國內(nèi)工業(yè)機器人的市場一直穩(wěn)步增長。

目前，由于高啟動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)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(yīng)用。其他電機，如交流伺服電機、步進(jìn)電機根據(jù)不同的應(yīng)用需求也會應(yīng)用到工業(yè)機器人中。

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

具體使用要求：

快速性。

啟動轉(zhuǎn)矩慣量比大。

控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。

調(diào)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，并能夠在短時間內(nèi)承受過載。

伺服電機行業(yè)未來趨勢

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，在經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變后，其內(nèi)部數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制等;其實現(xiàn)主要通過新型功率半導(dǎo)體器件，像高性能DSP加FPGA、甚至伺服專用模塊也不足為奇。且新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法也日新月異，國際廠商的伺服產(chǎn)品大概每5年亦會更新?lián)Q代——總而言之，產(chǎn)品生命周期越來越短，變化越來越快?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些伺服電機系統(tǒng)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(tǒng)重要的發(fā)展課題，但是仍需要繼續(xù)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(jié)構(gòu)設(shè)計；也包括驅(qū)動系統(tǒng)的高效率化：包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化，加減速運動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅(qū)動

直接驅(qū)動包括采用盤式電機的轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動和采用直線電機的線性伺服驅(qū)動，由于消除了中間機械傳動設(shè)備的（如齒輪箱）傳遞誤差，從而實現(xiàn)了高速化和高定位精度。而直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構(gòu)的各種裝置實現(xiàn)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(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機、直線電機，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)指標(biāo)（控制速度、控制精度）提高。

一體化和集成化

電動機、反饋、控制、驅(qū)動、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機叫智能化電機，有時我們把集成了運動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運行、維護(hù)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(zhàn)和工程師使用習(xí)慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。

通用化

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

智能化

現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進(jìn)行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅(qū)動結(jié)合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

網(wǎng)絡(luò)化和模塊化

將現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成到伺服驅(qū)動器當(dāng)中，已經(jīng)成為歐洲和美國廠商的常用做法。現(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標(biāo)準(zhǔn)競爭的焦點就是如何適應(yīng)高性能運動控制對數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅(qū)動器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。

從故障診斷到預(yù)測性維護(hù)

隨著機器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)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。

專用化和多樣化

雖然市場上存在通用化的伺服產(chǎn)品系列，但是為某種特定應(yīng)用場合專門設(shè)計制造的伺服系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和嵌入式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產(chǎn)實現(xiàn)了高效率、大批量和自動化，并引起國內(nèi)廠家的研究

小型化和大型化

無論是永磁無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(xiàn)。體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。

試驗方法亦在進(jìn)步

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

針對此現(xiàn)狀，MPT混合型電機測試系統(tǒng)，可通過自由加載引擎技術(shù)對被試電機進(jìn)行連續(xù)動態(tài)變化的負(fù)載加載，實現(xiàn)真實環(huán)境中被試電機的工況模擬，從而可開展對應(yīng)的電機及控制的動態(tài)響應(yīng)控制、實際工況仿真及老化等各類測試，讓電機測試進(jìn)入動態(tài)時代，滿足當(dāng)前伺服運動系統(tǒng)行業(yè)對運動控制相關(guān)項目的測試需求。

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