伺服電機相關知識大盤點

　　什麼是伺服電機

　　伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，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控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，並能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉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，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機工作原理

　　一、交流伺服電動機 交流伺服電動機定子的構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子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調速範圍、線性的機械特性，無「自轉」現象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是採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慣量，轉子做得細長；另一種是採用鋁合金製成的空心杯形轉子，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.空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛採用。 交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恆定的情況下，電動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，伺服電動機將反轉。 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，但前者的轉子電阻比後者大得多，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、起動轉矩大 由於轉子電阻大，其轉矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機的轉矩特性曲線2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）更接近於線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。 2、運行範圍較廣 3、無自轉現象 正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓後，它處於單相運行狀態，由於轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉矩特性（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。 交流伺服電動機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線性，並且由於轉子電阻大，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，所以只適用於0.5-100W的小功率控制系統。

　　直流伺服電機速度控制原理圖

　　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，當然在意義上的差異也不會大相逕庭！

　　1.伺服主要靠脈衝來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈衝，就會旋轉1個脈衝對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈衝的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈衝，這樣，和伺服電機接受的脈衝形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈衝給伺服電機，同時又收了多少脈衝回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。

　　直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速範圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁幹擾，對環境有要求。因此它可以用於對成本敏感的普通工業和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制複雜，容易實現智能化，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，長壽命，可用於各種環境。 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，它的功率範圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。 3.伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定於編碼器的精度（線數）。

　　簡單伺服電機的工作原理

　　伺服電機工作原理_電路圖

　　伺服電動機的工作原理及作用:

　　伺服電機的作用是驅動控制對象。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，電機的轉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

　　勵磁繞組中串聯電容C的目的是為了產生兩相旋轉磁場。

　　適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90°，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。

　　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係如圖所示。

　　1）U2= 0 時，轉子停止。

　　這時，雖然U2 =0V，U1仍存在，似乎成單相運行狀態，但和單相異步機不同。若單相電機啟動運行後，出現單相後仍轉。伺服電機不同，單相電壓時設備不能轉。

　　原因：交流伺服電機 R2設計得較大。所以在U2=0時，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U2=0V時，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生的轉距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，能立即停止，體現了控制信號的作用(有控制電壓時轉動，無控制電壓時不轉)，以免失控。

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

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

　　交流伺服電動機的機械特性曲線( 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，如用在自動控制、溫度自動記錄等系統中。

　　直流伺服電動機

　　結構：與直流電動機基本相同。為減小轉動慣量做得細長一些。

　　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，一定的負載下，U2↑,n↑。

　　2)U2=0時，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，如隨動系統中的位置控制等。

　　伺服電機在工業機器人中的應用

　　機器人產業的增長如火如荼，遍地開花，大量工具機廠家、伺服廠家和其他有條件的企業都紛紛轉向機器人市場。為何工具機廠家和伺服廠家如此積極轉型研發機器人?工業機器人有4大組成部分，分別為本體，伺服，減速器和控制器。

　　步進電機用於驅動機器人的關節，要求是要有最大功率質量比和扭矩慣量比、高啟動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速範圍。

　　機器人產業壯大，需要在伺服、集成控制等領域相繼取得突破才能成行。目前，我國在伺服等領域依然處於待突破階段，對本土機器人產業造成不利影響。

　　工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。一般情況下，對於交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

　　工業自動化進程的持續推進，對於自動化軟體及硬體設備的需求都居高不下，其中國內工業機器人的市場一直穩步增長，預計在2015我國成為全球最大需求市場。

　　與此同時，直接帶動伺服系統的市場需求。美萊克供應的鳴志步進伺服電機系統在集成式電機中完美融入了伺服控制技術，具有精度高、穩定性好、速度快等特點。

　　目前，由於高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電機在工業機器人中得到廣泛的應用。其他電機，如交流伺服電機、步進電機根據不同的應用需求也會應用到工業機器人中。

　　特別是像機器人末端執行器(手爪)應採用體積、質量儘可能小的電機，尤其是要求快速響應時，伺服電機必須具有較高的可靠性，並且有較大的短時過載能力。具體使用要求：

　　快速性。

　　啟動轉矩慣量比大。

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

　　調速範圍寬。

　　體積小、質量小、軸向尺寸短。

　　能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並能夠在短時間內承受過載。

　　伺服電機行業未來趨勢

　　現代交流伺服系統，在經歷了從模擬到數位化的轉變後，其內部數字控制環已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制等;其實現主要通過新型功率半導體器件，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，新的軟體算法也日新月異，國際廠商的伺服產品大概每5年亦會更新換代——總而言之，產品生命周期越來越短，變化越來越快。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些伺服電機系統的最新發展趨勢：

　　高效率化

　　儘管高效化一直都是伺服系統重要的發展課題，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和更好的磁鐵安裝結構設計；也包括驅動系統的高效率化：包括逆變器驅動電路的優化，加減速運動的優化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

　　直接驅動

　　直接驅動包括採用盤式電機的轉臺伺服驅動和採用直線電機的線性伺服驅動，由於消除了中間機械傳動設備的（如齒輪箱）傳遞誤差，從而實現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採用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

　　高速、高精、高性能化

　　採用更高精度的編碼器，更高採樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及應用自適應、人工智慧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

　　電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個發展方向。有時我們稱這種集成了驅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動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、製造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰和工程師使用習慣的挑戰，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

　　通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便於用戶在不改變硬體配置的條件下，方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、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，適用於各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統，也可以通過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控制系統。

　　智能化

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

　　網絡化和模塊化

　　將現場總線和工業乙太網技術、甚至無線網絡技術集成到伺服驅動器當中，已經成為歐洲和美國廠商的常用做法。現代工業區域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟體和硬體的模塊化和可重用。

　　從故障診斷到預測性維護

　　隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢，並採取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器，以及對電流波形發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品系列，但是為某種特定應用場合專門設計製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刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，並引起國內廠家的研究

　　小型化和大型化

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

　　試驗方法亦在進步

　　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，這就出現了一個問題：傳統的電機試驗方法只是針對電機而言的，無法對伺服系統的控制特性進行分析。

　　針對此現狀，MPT混合型電機測試系統，可通過自由加載引擎技術對被試電機進行連續動態變化的負載加載，實現真實環境中被試電機的工況模擬，從而可開展對應的電機及控制的動態響應控制、實際工況仿真及老化等各類測試，讓電機測試進入動態時代，滿足當前伺服運動系統行業對運動控制相關項目的測試需求。

　　-------End-------

　　▼

　　距工業機器人大神只差關注

　　指南車機器人學院，機器人工程師搖籃