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引言

“伺服（Servo）”一詞源于希臘語“奴隸”，意即“伺候”和“服從”，伺服系統就是指可以按照外部指令進行人們所期望的運動的系統，實現包括位置、方位、狀態等輸出量的自動控制。它不僅是工業自動化的關鍵環節，也是實現精準定位、精準運動的必要途徑。作為伺服系統的執行單元，伺服電機種類繁多，其中永磁同步伺服電機因其高效節能、操作簡易等優點，逐漸成為市場主流。相比于步進電機，伺服電機在控制精度、穩定輸出、過載能力等性能上優勢明顯，在工業領域廣泛使用。本文將簡單介紹伺服系統以及伺服電機的工作原理及其分類，并對伺服電機的常用性能指標作出說明。

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伺服系統構成及其工作原理

伺服系統主要由伺服驅動器、編碼器和伺服電機等部件構成，其運動原理圖如下圖所示：

伺服系統是一種自動控制系統，能使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量跟隨輸入目標（或給定值）的變化而變化。伺服驅動器在接收下達的控制命令后，會發出信號給伺服電機驅動其轉動；與此同時，嵌入電機的編碼器將伺服電機的運動參數反饋給伺服驅動器，由伺服驅動器完成對信號的匯總、分析和修正。由此，伺服系統以閉環的形式精確控制了執行機構（電機等機械傳動裝置）的輸出變量。

伺服驅動器、伺服電機及編碼器的功能介紹如下：

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伺服驅動器

1、構成

伺服驅動器主要由伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。

伺服驅動器大體可以劃分為功率板和控制板兩個模塊。功率板是強電部分（功率大、電流大、頻率低的電力部分），其中包括兩個單元，一是功率驅動單元IPM，用于電機的驅動，二是開關電源單元，為整個系統提供數字和模擬電源。控制板是弱電部分，是電機的控制核心，也是伺服驅動器技術核心控制算法的運行載體。控制板通過相應的算法輸出脈沖寬度調制（PWM）或脈沖頻率調制（PFM）信號，作為驅動電路的驅動信號，來改變逆變器的輸出功率，以達到控制交流伺服電機的目的。其中，逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成定頻定壓或調頻調壓交流電（一般為220V，50Hz正弦波）的轉換器。

伺服驅動器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導通壓降兩方面的優點，用于功率驅動單元，能夠輔助直流電轉變為交流電。我國IGBT市場90%以上被外資企業占領，在短時間內IGBT實現國產化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個交流伺服系統的核心，是系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。控制板所采用的數字信號處理器（DSP）除了具有快速的數據處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如AC/DC（交流直流）轉換器、PWM發生器、定時/計數器電路、異步通訊電路、CAN（控制局域網絡）總線收發器以及高速的可編程靜態RAM（隨機存取存儲器）和大容量的程序存儲器等，可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅動伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。

伺服回路可根據輸入命令信號提供電機的比例控制。簡單的伺服驅動器包含用于控制扭矩的單個伺服回路。更先進的伺服驅動器可增設速度環，并且還可以包含位置環。在完整的伺服驅動器系統中，運動控制器發出的數字信號將命令所需的運動軌跡利用這三個伺服回路來優化性能。每個環路向后續環路發送信號，并監測適當的反饋元件，從而進行實時更正，以匹配命令參數。

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伺服電機

1、構成

市場主流的交流伺服電機由前后端蓋、軸承、定子、轉子以及編碼器等部件組成，其核心部件是定子、轉子和編碼器（編碼器在下文單獨介紹）。交流伺服電機結構圖如下圖所示：

定子主要由機座、定子鐵芯和定子繞組三部分組成，其中機座一般用鋁或不銹鋼制成，用于固定和支撐定子鐵芯；定子鐵芯由硅鋼片或鐵鎳合金疊壓而成，用于鑲嵌定子繞組；定子繞組是定子鐵芯上固定的線匝，均勻地分布在定子槽里，主要用于在通電后形成旋轉磁場。

永磁式同步伺服電機的轉子主要由轉子鐵芯、永磁體和轉軸組成，其中轉子鐵芯由硅鋼片疊成，能增加電感線圈（定子繞組）的磁通量，實現電磁功率的最大轉換；永磁體材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復合永磁材料等，其內部存在著分子電流，能夠形成磁場；轉軸則用于輸出機械轉矩。異步交流電機的轉子沒有永磁體，但有轉子繞組，繞組由導線纏繞而成，用于切割旋轉磁場產生感應電流。

2、交流伺服電機的工作原理

交流伺服電機按照轉子速度與旋轉磁場是否同步，可以分為交流同步電機和交流異步電機。其工作原理均基于電磁感應定律，主要區別在于轉子轉動的速度與旋轉磁場是否同步。具體如下：

（1）永磁式同步伺服電機

永磁式同步伺服電機的轉子中裝有永磁體，當定子繞組接通控制電壓時，產生的電流共同作用產生一個合成的旋轉磁場，永磁體產生的磁場與旋轉磁場相互作用，使得轉子與旋轉磁場同步旋轉。

永磁同步電機的結構圖和工作原理

（2）交流異步伺服電機

在異步交流伺服電機中，定子繞組接入交流電源，產生的旋轉磁場被轉子繞組上的導條切割，從而使轉子繞組產生感應電流，感應電流在旋轉磁場的作用下產生電磁力，帶動轉子隨著定子旋轉磁場轉向旋轉，但轉子趕不上定子磁場變換的速度，或不同步，所以稱為做“異步”。如果轉子與旋轉磁場保持同步，轉子繞組將無法被旋轉磁場切割，感應電流不會產生，轉子就不能保持勻速運動。

轉子繞組被旋轉磁場切割

（3）兩者之間的比較優勢

由于永磁鐵材料價格昂貴，相比于異步伺服電機，永磁式同步伺服電機的轉子的造價、維修費用相對較高，且永磁體存在高溫退磁的風險。但也因為轉子部分無需借助切割磁場獲得的感應電流，永磁式同步伺服電機不需要考慮轉子銅耗（繞組電阻因發熱產生的損耗），且由永磁材料提供磁場，功率密度高。

功率密度（計算公式：最大功率/電機體積或重量）衡量單位體積或重量產生的能量傳輸時間速率，電機功率越大且體積、質量越小時，功率密度越高。當工業生產的空間有限時，功率密度是重要的考慮因素。永磁同步交流電機的功率密度范圍在2左右，異步交流電機為0.3-1.0之間。隨著新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電機的體積和重量進一步減小，性能也在持續提高。

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編碼器

1、構成

伺服電機編碼器主要由敏感元件、轉換元件和信號電路組成。編碼器的敏感元件由發光管和玻璃碼盤等部件組成，能將轉子轉軸的運動轉變為光信號；光電接收管即為轉換元件，能經放大整形電流將光這一物理量轉變為電信號。

2、工作原理

編碼器能夠檢測電機轉速和位置，實時發送反饋信號到伺服驅動器，從而實現對伺服電機的閉環控制。因此，伺服電機的控制精確度很大程度取決于編碼器的精度。當前廣泛使用的數字編碼器可以分為增量編碼器與絕對值編碼器兩種。

增量編碼器接在轉子轉軸上，每旋轉一定的角度或移動一定的距離會產生一個脈沖，輸出脈沖隨著位移增加而不斷增多。以常用的光電編碼器為例，該編碼器主要由玻璃碼盤、發光管、光電接收管和整形電路組成，玻璃碼盤的結構如下圖所示，黑色部分不透明，白色部分透明，可以通過光線，玻璃碼盤套在轉子中心的轉軸上，與伺服電機同步旋轉。編碼器的發光管發出光線照射玻璃碼盤，光線透過透明孔照射到光電接收管，從而得到脈沖，脈沖經放大整形后輸出，反饋給伺服驅動器。工作原理說明圖如下：

玻璃碼盤

編碼器旋轉一周產生的脈沖個數即分辨率。碼盤上刻出的透明孔越多，分辨率就越高。編碼器的分辨率越高，說明編碼器可讀取并輸出的電機最小角度就越小。

由于編碼器檢測電機的旋轉位移采用相對方式，若系統突然斷電，相對脈沖個數未儲存，再次通電后系統將無法知道執行機構的當前位置，需要讓電機回到零位重新開始工作。絕對值編碼器解決了這一問題。以4位二進制單圈絕對值編碼器的碼盤為例，該玻璃碼盤分為4個環，每個環分成16等份，每個位置點都有唯一的編碼。通過編碼器輸出的代碼就能確定電動機的當前位置，輸出代碼的變化方向可以確定電動機的轉向，如由0000往000[1][2] 1變化為正轉，1100往0111變化為反轉，通過檢測光電接收管產生的脈沖頻率就能確定電動機的轉速。單圈絕對值編碼器定位不受斷電影響，再次通電后，編碼器當前位置的編碼不變。

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伺服電機的性能評價體系及產品對比

在選型時，針對不同的應用情境，對于伺服電機各項性能的考量也會有所不同。下面將對幾個常見的性能指標作出說明：

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額定轉矩

額定轉矩是電機在額定電壓、額定頻率下長期工作軸上輸出的最大允許轉矩，決定了伺服電機能否持續以定額功率、定額電流、定額轉速輸出。額定轉矩越高，則電機的在一定電流比下的轉矩越大。

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負載特性

負載特性是額定轉矩下電機持續負載運行，同時峰值轉矩可滿足幾倍額定轉矩的短時指標。負載特性越高，則伺服電機的過載能力越強。

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編碼器分辨率

編碼器分辨率是指編碼器在伺服電機旋轉一圈所輸出的絕對位置，可以起到實時檢測伺服電機位置和速度的作用。編碼器的分辨率越高，伺服電機的最小刻度位置就越小，則伺服電機旋轉的角位移也就越小，控制的精度也就越高。

下表列出了幾款產品的指標參數：

注：數據來源于禾川科技首次公開發行股票并在科創板上市招股說明書

除了上述指標之外，伺服電機額定功率的大小、運行噪音大小、體積與質量等也常常成為選型時進行比較的指標。

除了上述指標之外，伺服電機額定功率的大小、運行噪音大小、體積與質量等也常常成為選型時進行比較的指標。

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伺服電機與步進電機的對比

伺服電機與步進電機都是當前市面上常見的電機類型，但交流伺服在性能方面普遍優于步進電機。具體參數對比如下：

雖然在上述三個指標中伺服電機表現更優，但步進電機具有低價優勢。一般來說，伺服電機的價格是步進電機的 2-5 倍。

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名詞解釋

1、漏電抗：漏電抗簡稱漏抗是由漏磁通引起的。在電機的繞組中，通入電流，將產生磁通，根據磁通的路徑，可以分為主磁通和漏磁通兩部分。漏磁通則是只與產生它的繞組交鏈（只穿過產生它的繞組），漏磁通不起能量轉換、傳遞的作用，只產生自感電動勢，引起自感壓降。描述漏磁通可以用一個電抗表示，就是漏電抗。

2、轉矩：各種工作機械傳動軸的基本載荷形式，與動力機械的工作能力、能源消耗、效率、運轉壽命及安全性能等因素緊密聯系，轉矩的測量對傳動軸載荷的確定與控制、傳動系統工作零件的強度設計以及原動機容量的選擇等都具有重要的意義。

3、電磁轉矩：電磁轉矩是電動機旋轉磁場各極磁通與轉子電流相互作用而在轉子上形成的旋轉力矩。是電動機將電能轉換成機械能最重要的物理量之一。當電樞繞組中有電樞電流流過時，通電的電樞繞組在磁場中將受到電磁力，該力與電機電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。

4、負載：在物理學中指連接在電路中的兩端具有一定電勢差的電子元件，用于把電能轉換成其他形式的能的裝置；在電工學中指在電路中接收電能的設備，是各類用電器的總稱。

5、電機的機電時間常數：機械時間常數，是電動機從啟動到轉速達到空載轉速的63.2%時所經歷的時間。

6、轉動慣量：是剛體繞軸轉動時慣性（回轉物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性）的量度，用字母I或J表示。

7、功率因數：功率因數是指交流電路有功功率對視在功率的比值。用戶電器設備在一定電壓和功率下，該值越高效益越好，發電設備越能充分利用。

8、脈沖當量：當控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產生的定位控制移動的位移。對直線運動來說，是指移動的距離，對圓周運動來說，是指其轉動的角度。

審核編輯 ：李倩