伺服电机常识

伺服电机是自动控制装置中用作执行机构的微型电机，其功能是将电信号转换为转轴的角位移或角速度。伺服电机又称执行电机，是自动控制系统中的执行元件，它将接收到的电信号转换成角位移或角速度输出在电机轴上。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指令的电机:在控制信号发出之前，转子还在；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子可以立即停止。

伺服电机的分类

伺服电机分为交流伺服和DC伺服。

交流伺服电机的基本结构类似于交流感应电机(异步电机)。在定子上，有两个相空间偏移90度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，它们以恒定的交流电压连接。通过使用施加在Wc上的交流电压或相位变化，可以控制电机。伺服电机交流具有运行稳定、可控性好、响应快、灵敏度高的特点，机械特性和调节特性的非线性指标严格(分别小于10% ~ 15%和小于15% ~ 25%)。

DC 伺服电机的优缺点

优点:速度控制准确，转矩转速特性硬，控制原理简单，使用方便，价格低廉。

缺点:电刷换向、限速、附加电阻、磨损颗粒(不适合无尘易爆环境)。

伺服电机 DC电机的基本结构与普通DC电机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，其中E为电枢反电动势，K为常数，J为每极磁通量，Ua和Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻。改变Ua或φ可以控制DC伺服电机的速度。然而，在永磁DC伺服电机中，励磁绕组被永磁体取代。DC伺服电机具有良好的线性调节特性和快速的时间响应。

AC 伺服电机的优缺点

优点:调速特性好，全转速范围内控制平稳，几乎无振荡，90%以上效率高，发热少，高速控制，高精度位置控制(取决于编码器精度)，恒转矩，低惯性，低噪音，额定工作范围内无电刷磨损，免维护(适用于无尘、易爆环境)。

缺点:控制复杂，需要现场调整驱动参数来确定PID参数，需要更多的连接。

DC 伺服电机可分为有刷电机和无刷电机。

无刷电机具有成本低、结构简单、起动转矩大、调速范围宽、易于控制和维护等优点，但容易维护(更换碳刷)，产生电磁干扰，需要使用环境。通常用于成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机具有体积小、重量轻、输出大、响应快、转速高、惯性小、转矩旋转平稳平稳、控制复杂智能、电子换向方式灵活、方波或正弦波换向、电机免维护、高效节能、电磁辐射低、温升低、寿命长等优点，适用于各种环境。

伺服电机交流也是无刷电机，分为同步电机和异步电机。目前运动控制一般采用同步电机，功率范围大，功率大，惯性大，最大转速低，且随着功率的增加恒速下降，适用于低速稳定运行的场合。

伺服电机里面的转子是永磁体，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在这个磁场的作用下旋转。同时，电机提供的编码器将反馈信号传输给驱动器，并将反馈值与目标值进行比较，从而调整转子的旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度(行数)。

随着永磁交流伺服驱动技术的快速发展，DC伺服系统面临着被淘汰的危机[/p] [p = 30，2，左]自20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术取得了突出的发展，各国著名电气制造商相继推出了新的交流伺服电机和伺服驱动器系列产品。交流伺服系统已经成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，这使得DC伺服系统面临被淘汰的危机。

与DC伺服电机相比，交流伺服电机具有以下主要优点:

(1)无电刷和换向器，运行更可靠，免维护。

𖲕The定子绕组发热大大减少。

⑶惯性小，系统快速响应性好。

⑶高速高扭矩工况良好。

5.同等功率下体积小重量轻。

伺服电机原则

交流伺服电机的定子结构与电容分相单相异步电机基本相似。定子配有两个位置相差90度的绕组。一个是激励绕组Rf，它总是连接到交流电压Uf。另一个是控制绕组L，与控制信号电压Uc相连。所以交流伺服电机也叫双伺服电机。

交流伺服电机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电机具有更宽的调速范围、线性的机械特性、无“自转”现象和快速响应性能，与普通电机相比应具有转子电阻大、转动惯量小两个特点。目前广泛使用的转子结构有两种:一种是采用高电阻率导电材料制成的高电阻率导电棒的鼠笼式转子，为了减小转子的转动惯量，将转子做成细长形；另一种是铝合金制成的空心杯状转子，杯壁只有0.2-0.3毫米，空心杯状转子因其转动惯量小、响应快、运行稳定而得到广泛应用。

交流伺服电机没有控制电压时，定子中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止。当存在控制电压时，定子中产生旋转磁场，转子沿着旋转磁场的方向旋转。在负载不变的情况下，电机的转速随着控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电机就会反转。

虽然交流伺服电机的工作原理与电容运转单相异步电机相似，但前者的转子电阻远大于后者，因此与电容运转异步电机相比，伺服电机有两个显著特点:

1.起动转矩大:由于转子阻力大，转矩特性(机械特性)更接近线性，具有较大的起动转矩。因此，定子一有控制电压，转子就立即旋转，其特点是启动快，灵敏度高。

2.工作范围广:运行稳定，噪音低。[/p] [p = 30，2，左] 3。无自旋转:一旦失去控制电压，运行中的伺服电机将停止运行。

精密传动微型电机

“精密传动微专用电机”能快速、正确地执行系统中频繁变化的指令，并驱动伺服机构完成指令所期望的工作，大部分能满足以下要求:

1.可频繁启停、制动、倒车、低速运行，机械强度高、耐热性好、绝缘水平高。

2.快速反应能力好，扭矩大，转动惯量小，时间常数小。

3.有驱动器和控制器(如伺服电机和步进电机)，控制性能好。

4.可靠性和精度高。

精密传动微特电机的种类、结构和性能比较如下:

Ac 伺服电机

(1)笼型两相交流伺服电机(笼型转子细长，机械特性近似线性，体积和励磁电流小，伺服功率小，低速运行不够平稳)。

(2)非磁杯转子的两相交流伺服电机(空心杯转子，近似线性机械特性，体积和励磁电流大，低功率伺服，低速运行平稳)。

(3)铁磁性杯转子伺服电机的两相交流电(铁磁性杯转子，近似线性机械特性，转子转动惯量大，齿槽效应小，运行稳定)。

(4)同步永磁AC 伺服电机(由永磁同步电机、转速表和位置检测元件组成的同轴集成单元，定子为3相或2相，磁性材料转子必须配备驱动器；调速范围宽，机械特性由恒转矩区和恒功率区组成，连续失速，快速响应性能好，输出功率高，转矩波动小；方波驱动和正弦波驱动两种方式，控制性能好，是机电一体化产品)。

(5)异步三相交流伺服电机(转子类似笼型异步电动机，所以必须配备驱动器，采用矢量控制，扩大了恒功率调速范围，多用于机床主轴调速系统)。

伺服电机 DC

(1)印刷绕组DC 伺服电机(盘式转子和盘式定子采用柱状磁钢轴向粘接，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出扭矩大)。

(2)线绕DC 伺服电机(盘式转子与定子轴向结合柱状磁钢，转子转动惯量小，控制性能优于其他DC 伺服电机，效率高，输出扭矩大)。

(3)杯形电枢永磁DC电机(空心杯形转子具有较小的转动惯量，适用于增量运动伺服系统)。

(4)无刷DC 伺服电机(定子为多相绕组，转子为永磁体，带转子位置传感器，无火花干扰，使用寿命长，噪音低)。

力矩马达

(1) DC力矩电机(水平组织、极数、槽数、换向器数、串联导体数；输出扭矩大，低速或堵转时连续运行，机械和调节特性好，机电时间常数小)。

(2)无刷DC力矩电机(结构与无刷DC 伺服电机相似，但扁平，有大量极、槽和串联导体；输出扭矩大，机械和调节特性好，使用寿命长，无火花，噪音低)。

(3)笼型交流力矩电机(笼型转子，水平组织，极槽数多，起动力矩大，机电时间常数小，长期抱死转子运行，机械特性软)。

(4)实心转子交流力矩电机(由铁磁材料制成的实心转子，水平组织，极数和槽数多，长期失速，运行平稳，机械特性软)。

步进电动机

(1)无功步进电机(定子和转子均由硅钢片制成，转子铁芯上无绕组，定子上有控制绕组；步距角小，启动和运行频率高，步距角精度低，无自锁力矩)。

(2)永磁步进电机(永磁转子，径向磁化极性；大步距角，低起动和运行频率，保持转矩，比无功型功耗小，但有正负脉冲电流)。

(3)混合式步进电机(永磁转子，轴向磁化极性；步距角精度高，保持转矩大，输入电流小，兼有电抗和永磁的优点)。

此外，还有开关磁阻电机和直线电机。

开关磁阻电机:定子和转子由硅钢片堆叠而成，均为凸极。大跨度无功步进电机的结构与极数相似。它有一个转子位置传感器。转矩方向与电流方向无关，调速范围小，噪音大，机械特性由恒转矩区、恒功率区和串联励磁特性区三部分组成。

直线电机:结构简单，导轨等可作为次级导体，适用于直线往复运动；高速伺服性能好，功率因数和效率高，恒速运行性能优异。