伺服電機servomotor

“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思。“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機：在控制信號發出之前，轉子靜止不動;當控制信號發出時，轉子立即轉動;當控制信號消失時，轉子能即時停轉。

伺服電機是自動控制裝置中被用作執行元件的微特電機，其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中用作執行元件，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。

伺服電機的分類

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機的基本構造與交流感應電動機(異步電機)相似。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電機運行的目的。交流伺服電機具有運行穩定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

直流伺服電機的優缺點

優點：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒(無塵易爆環境不宜)。

直流伺服電機基本構造與一般直流電動機相似。電機轉速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，K為常數，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動機具有良好的線性調節特性及快速的時間響應。

交流伺服電機的優缺點

優點：速度控制特性良好，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發熱少，高速控制，高精確度位置控制(取決于編碼器精度)，額定運行區域內，可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護(適用于無塵、易爆環境)。

缺點：控制較復雜，驅動器參數需要現場調整PID參數確定，需要更多的連線。

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，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便(換碳刷)，產生電磁干擾，對使用環境有要求，通常用于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，力矩穩定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環境。

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，其功率范圍大，功率可以做到很大，大慣量，最高轉速低，轉速隨功率增大而勻速下降，適用于低速平穩運行場合

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制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將反饋信號傳給驅動器，對反饋值與目標值進行比較，從而調整轉子轉動的角度，伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數)。

Q 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在性能上有什么區別? A

交流伺服電機的性能要好一些，因為交流伺服是正弦波控制，轉矩脈動小;而無刷直流伺服是梯形波控制。但無刷直流伺服實現控制比較簡單，便宜。

永磁交流伺服驅動技術的迅猛發展使直流伺服系統面臨被淘汰的危機[/p][p=30，2，left]20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼不斷推出新的交流伺服電機和伺服驅動器系列產品。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使直流伺服系統面臨被淘汰的危機。

永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優點有：

⑴無電刷和換向器，運行更可靠，免維護。

⑵定子繞組發熱大大減少。

⑶慣量小，系統快速響應性好。

⑷高速大力矩工作狀態好。

⑸相同功率下體積小重量輕。

伺服電機原理

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范圍、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慣量，轉子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁僅0.2-0.3mm，空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛采用。

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，在負載恒定的情況下，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電容運轉式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與電容運轉式異步電動機相比，有兩個顯著特點：

1. 起動轉矩大：由于轉子電阻大，使轉矩特性(機械特性)更接近于線性，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. 運行范圍寬：運行平穩、噪音小。[/p][p=30，2，left]3、無自轉現象：運轉中的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。

精密傳動微特電機

“精密傳動微特電機”能夠在系統中快速而正確地執行頻繁變化的指令，帶動伺服機構完成指令所期望的工作，大多能夠滿足以下要求：

1. 能頻繁啟動、停止、制動、反轉及低速運行，且機械強度高、耐熱等級高、絕緣等級高。

2. 快速相應能力好，轉矩較大，轉動慣量小，時間常數小。

3. 帶有驅動器和控制器(如伺服電機、步進電機)，控制性能良好。

4. 高可靠性，高精度。

精密傳動微特電機的類別及其結構和性能對比如下：

交流伺服電機

(1)籠型兩相交流伺服電機(細長籠型轉子、機械特性近似線性、體積和勵磁電流小、小功率伺服、低速運轉不夠平滑)。

(2)非磁性杯型轉子兩相交流伺服電機(空心杯轉子、機械特性近似線性、體積和勵磁電流較大、小功率伺服、低速運轉平滑)。

(3)鐵磁杯型轉子兩相交流伺服電機(鐵磁材料杯型轉子、機械特性近似線性、轉子轉動慣量大、齒槽效應小、運行平穩)。

(4)同步型永磁交流伺服電機(由永磁同步電機、測速機及位置檢測元件同軸一體機組，定子為3相或2相，磁性材料轉子，必須配驅動器;調速范圍寬、機械特性由恒轉矩區和恒功率區組成，可連續堵轉，快速相應性能好，輸出功率大，轉矩波動小;有方波驅動和正弦波驅動兩種方式，控制性能好，為機電一體化產品)。

(5)異步型三相交流伺服電機(轉子與籠型異步電機相似，必須配驅動器，采用矢量控制，擴大了恒功率調速范圍，多用于機床主軸調速系統)。

直流伺服電機

(1)印制繞組直流伺服電機(盤形轉子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉子轉動慣量小，無齒槽效應，無飽和效應，輸出轉矩大)。

(2)線繞盤式直流伺服電機(盤形轉子、定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉子轉動慣量小，控制性能優于其他直流伺服電機，效率高，輸出轉矩大)。

(3)杯型電樞永磁直流電機(空心杯轉子，轉子轉動慣量小，適用于增量運動伺服系統)。

(4)無刷直流伺服電機(定子為多相繞組，轉子為永磁式，帶轉子位置傳感器，無火花干擾，壽命長，噪聲低)。

力矩電機

(1)直流力矩電機(扁平結構，極數槽數換向片數串聯導體數多;輸出轉矩大，低速或堵轉下可連續工作，機械和調節特性好，機電時間常數小)。

(2)無刷直流力矩電機(與無刷直流伺服電機結構相似，但為扁平狀，極數槽數串聯導體數多;輸出轉矩大，機械和調節特性好，壽命長，無火花，噪聲低)。

(3)籠型交流力矩電機(籠型轉子，扁平結構，極數槽數多，啟動轉矩大，機電時間常數小，可長期堵轉運行，機械特性較軟)。

(4)實心轉子交流力矩電機(鐵磁材料實心轉子，扁平結構，極數槽數多，可長期堵轉，運行平滑，機械特性較軟)。

步進電機

(1)反應式步進電機(定轉子均由硅鋼片疊成，轉子鐵心上無繞組，定子上有控制繞組;步距角小，啟動與運行頻率較高，步距角精度較低，無自鎖力矩)。

(2)永磁步進電機(永磁式轉子，徑向磁化極性;步距角大，啟動與運行頻率低，有保持轉矩，消耗功率比反應式小，但須供正、負脈沖電流)。

(3)混合式步進電機(永磁式轉子，軸向磁化極性;步距角精度高，有保持轉矩，輸入電流小，兼有反應式和永磁式兩者的優點)。

開關磁阻電機(定轉子均由硅鋼片疊成，都為凸極式，與極數相接近的大步距反應式步進電機結構相似，帶有轉子位置傳感器，轉矩方向與電流方向無關，調速范圍小，噪聲大，機械特性由恒轉矩區、恒功率區、串勵特性區三部分組成)。

直線電機(結構簡單，導軌等可作為二次導體，適用于直線往復運動;高速伺服性能好，功率因數和效率高，恒速運行性能優)。

審核編輯：湯梓紅