工控成長之路——伺服電機

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，是一種補助馬達間接變速裝置。

伺服電機可以控制速度，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)）。

伺服電機主要靠脈沖來定位，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，可以達到0.001mm。

產(chǎn)品特點

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。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。空心杯形轉(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)。

永磁交流伺服電動機

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：

⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

伺服電動機與單相異步電動機比較

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，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，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)。

伺服電機與步進電機的性能比較

步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細(xì)分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產(chǎn)的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。

二、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。

交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

三、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

五、運行性能不同

步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

六、速度響應(yīng)性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C。

行業(yè)淺析

對位置，速度和力矩的控制精度要求比較高的場合，都可以采用交流伺服電機。如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、電子、制藥、金融機具、自動化生產(chǎn)線等。因為伺服多用在定位、速度控制場合，所以伺服又稱為運動控制。

1、冶金、鋼鐵—連鑄拉坯生產(chǎn)線、銅桿上引連鑄機、噴印標(biāo)記設(shè)備、冷連軋機，定長剪切、自動送料、轉(zhuǎn)爐傾動。

2、電力、電纜—水輪機調(diào)速器、風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)、拉絲機、對絞機、高速編織機、卷線機、噴印標(biāo)記設(shè)備等。

3、石油、化工—擠壓機、膠片傳動帶、大型空氣壓縮機、抽油機等。

4、化纖和紡織--紡紗機、精紡機、織機、梳棉機、橫邊機等。

5、汽車制造業(yè)—發(fā)動機零部件生產(chǎn)線、發(fā)動機組裝生產(chǎn)線，整車裝配線、車身焊接線、檢測設(shè)備等。

6、機床制造業(yè)—車床、龍門刨、銑床、磨床、機械加工中心、制齒機等。

7、鑄件制造業(yè)—機械手、轉(zhuǎn)爐傾動、模具加工中心等。

8、橡塑制造業(yè)--塑料壓延機、塑料薄膜袋封切機、注塑機、擠出機、成型機、涂塑復(fù)合機、拉絲機等。

9、電子制造業(yè)—印刷電路板（PCB）設(shè)備、半導(dǎo)體器件設(shè)備（***、晶圓加工機等）、液晶顯示器（LCD）設(shè)備、整機聯(lián)裝及表面貼裝（SMT）設(shè)備、激光設(shè)備（切割機、雕刻機等）、通用數(shù)控設(shè)備、機械手等。

10、造紙業(yè)—紙張傳送設(shè)備、特種紙造紙機械等。

11、食品制造業(yè)—原料加工設(shè)備、灌裝機械、封口機、其他食品包裝及印刷設(shè)備等

12、制藥業(yè)—原料加工機械、制劑機械、飲片機械、印刷及包裝機械等

13、交通—地鐵屏蔽門、電力機車、船舶導(dǎo)航等

14、物流、裝卸、搬運—自動倉庫、搬運車、立體車庫、傳動帶、機器人、起重設(shè)備和搬運設(shè)備等

15、建筑—電梯、傳送帶、自動旋轉(zhuǎn)門、自動開窗等

16、醫(yī)療—CT、X光機、核磁共振MRI等

17、試驗設(shè)備—汽車試驗設(shè)備、扭矩試驗設(shè)備等

審核編輯 ：李倩