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伺服电机简介

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。

伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机的分类

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类。

交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。

直流伺服电机的优缺点
优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
交流伺服电机的优缺点
优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护(适用于无尘、易爆环境)。
缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，其功率范围大，功率可以做到很大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用于低速平稳运行场合

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从而调整转子转动的角度，伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。

Q：交流伺服电机和无刷直流伺服电机在性能上有什么区别?
A：交流伺服电机的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小;而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现控制比较简单，便宜。
永磁交流伺服驱动技术的迅猛发展使直流伺服系统面临被淘汰的危机[/p][p=30，2，left]20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继不断推出新的交流伺服电机和伺服驱动器系列产品。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使直流伺服系统面临被淘汰的危机。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，运行更可靠，免维护。
⑵定子绕组发热大大减少。
⑶惯量小，系统快速响应性好。
⑷高速大力矩工作状态好。
⑸相同功率下体积小重量轻。

伺服电机原理

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁仅0.2-0.3mm，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与电容运转式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与电容运转式异步电动机相比，有两个显著特点：

1. 起动转矩大：由于转子电阻大，使转矩特性(机械特性)更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

2. 运行范围宽：运行平稳、噪音小。[/p][p=30，2，left]3、无自转现象：运转中的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。超10万种现货元器件，一件也发货，来唯样商城购正品~

伺服电机编码器

伺服电机编码器是安装在伺服电机上用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器，从物理介质的不同来分，伺服电机编码器可以分为光电编码器和磁电编码器，另外旋转变压器也算一种特殊的伺服编码器，市场上使用的基本上是光电编码器，不过磁电编码器作为后起之秀，有可靠，价格便宜，抗污染等特点，有赶超光电编码器的趋势。

编码器类型非常多，最常用的是绝对值编码器、增量编码器和旋转变压器，还有一些更高的通讯编码器。对于伺服来讲，要想获得非常高的性能和精度，必须提高编码器的分辨率，常用的伺服编码器2000－2500线（脉冲数/转），但线数越高，编码器价格就越贵，所以必须了解控制系统的要求，以选择最合适的编码器。

对于增量性编码器，最为常用，但最大的问题是：掉电位置丢失，所以要保持掉电位置，可以采用绝对值编码器；如果机械振动大，则选用光电编码器就不合适了，这是需采用旋转变压器或者磁性编码器。

编码器示意图

伺服电机和编码器的关系

伺服驱动器和编码器是构成伺服系统的两个必要组成部分，伺服驱动器控制部分通过读取编码器获得：转子速度，转子位置和机械位置，可以完成：

● 伺服电机的速度控制

● 伺服电机的转矩控制

● 机械位置同步跟踪（多个传动点）

● 定点停车

伺服电机和编码器的关系图

光编码器特点和应用要点

光学编码器一直都是运动控制应用市场的热门选择。它由LED光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，LED光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波A和B正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。

光编码器靠旋转码盘和光收发器配合工作。它们的距离非常近，但又不能接触。但是在振动下和结构的间隙变大的情况下，码盘会和光收发器碰撞。当光编码器的运动部件互相撞击后，它们的位置就发生了变化从而导致精度降低。

光编码器必须在无尘的环境里生产，任何粉尘掉在码盘上，光编码器就失效了。通过严格的密封，通常光编码器要在轴承，外壳和接线处密封。但是密封非常容易受温度影响。由于环境和编码器自身的发热，当温度高时编码器里面的空气和水汽被排出，当温度低时外界的空气和水汽又被吸入。这些水汽凝结在码盘上直接导致光编码器的失效。

光编码器示意图

磁性编码器的特点和适用场景

磁性编码器的结构与光学编码器类似，但它利用的是磁场，而非光束。磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘，磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。码盘的任何转动都会使这些传感器产生响应，而产生的信号将传输至信号调理前端电路以确定轴的位置。相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更耐用、抗振和抗冲击。而且，在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下，光学编码器的性能会大打折扣，磁性编码器却不受影响，因此非常适合恶劣环境应用。

不过，电机（尤其是步进电机）产生的电磁干扰会对磁性编码器造成极大的影响，并且温度变化也会使其产生位置漂移。此外，磁性编码器的分辨率和精度相对较低。

另外，磁性编码器响应速度较慢，不能胜任高速运动负载的位置反馈。因此，磁性编码器适用于如下应用场景：

a. 定位精度要求不高的点对点往复定位，例如物料搬运，物料分拣，大型设备定位控制，一般机器人定位。

b. 速度波动要求不高的连续运转，例如AGV车轮，输送带传输，变频电机反馈。

c. 单向高速运行，例如电主轴。

d. 负载惯量比较小的运动控制场景。

e. 步进电机和无刷电机的反馈。

磁性编码器示意图