【知識百科】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。
伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，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，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、始動電壓等特性，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。
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工作原理
1、伺服系統(tǒng)（servo mechanism）是使物體的位置、方位、 伺服電機（圖1） 伺服電機（圖1） 狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，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)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，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。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(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
發(fā)展歷史
自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅(qū)動系統(tǒng)，這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行，分別稱為直流伺服系統(tǒng)、三相永磁交流伺服系統(tǒng)。
到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24%降低到7%，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需要。
以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本發(fā)那科（Fanuc）公司，在20世紀80年代中期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應的位置伺服系統(tǒng)。
日本其他廠商，例如：三菱電動機（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機（S系列）等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。
德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。
德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標準型和短型兩大類，共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。
德國博世（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。
美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。
美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。
I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅(qū)動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和Smart Drive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。
愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。
法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。
原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機座號17個規(guī)格，力矩范圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。
韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅(qū)動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。
現(xiàn)在常采用（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。
按功率變化率進行計算分析可知，永磁交流伺服電動機技術指標以美國I.D 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。
選型比較
交流伺服電動機
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(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)象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細長；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80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅(qū)動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術有了突出的發(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。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為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)。
調(diào)試方法
1、初始化參數(shù)
在接線之前，先初始化參數(shù)。
在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時默認使能信號關閉；將此狀態(tài)保存，確?？刂瓶ㄔ俅紊想姇r即為此狀態(tài)。
在伺服電機上：設置控制方式；設置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設計轉(zhuǎn)速對應9V的控制電壓。比如，山洋是設置1V電壓對應的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準備讓電機在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個參數(shù)設置為111。
2、接線
將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復查接線沒有錯誤后，電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應該不動，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動，如果不是這樣，檢查使能信號的設置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線和設置
3、試方向
對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù)，看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設置。確認給出正數(shù)，電機正轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)增加；給出負數(shù)，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數(shù)，使其一致。
4、抑制零漂
在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細調(diào)整，使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。
5、建立閉環(huán)控制
再次通過控制卡將伺服使能信號放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時，電機應該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。
6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)
細調(diào)控制參數(shù)，確保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。
使用范圍
直流伺服電機可應用在是火花機、機械手、精確的機器等?？赏瑫r配置2500P/R高分析度的標準編碼器及測速器，更能加配減速箱、令機械設備帶來可靠的準確性及高扭力。 調(diào)速性好，單位重量和體積下，輸出功率最高，大于交流電機，更遠遠超過步進電機。多級結構的力矩波動小。
主要作用
伺服電機在封閉的環(huán)里面使用。就是說它隨時把信號傳給系統(tǒng)，同時把系統(tǒng)給出的信號來修正自己的運轉(zhuǎn)。
伺服電機也可用單片機控制。
特點對比
直流無刷伺服電機特點
轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流小； 棄接觸式換向系統(tǒng)，大大提高電機轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達100 000rpm；無刷伺服電機在執(zhí)行伺服控制時，無須編碼器也可實現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制； 不存在電刷磨損情況，除轉(zhuǎn)速高之外，還具有壽命長、噪音低、無電磁干擾等特點。
直流有刷伺服電機特點
1.體積小、動作快反應快、過載能力大、調(diào)速范圍寬
2.低速力矩大, 波動小，運行平穩(wěn)
3.低噪音,高效率
4.后端編碼器反饋（選配）構成直流伺服等優(yōu)點
5.變壓范圍大，頻率可調(diào)
?注意事項
一、伺服電機油和水的保護
A：伺服電機可以用在會受水或油滴侵襲的場所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服電機不應當放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。
B：如果伺服電機連接到一個減速齒輪，使用伺服電機時應當加油封，以防止減速齒輪的油進入伺服電機
C：伺服電機的電纜不要浸沒在油或水中。
二、伺服電機電纜→減輕應力
A：確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負荷，尤其是在電纜出口處或連接處。
B：在伺服電機移動的情況下，應把電纜（就是隨電機配置的那根）牢固地固定到一個靜止的部分（相對電機），并且應當用一個裝在電纜支座里的附加電纜來延長它，這樣彎曲應力可以減到最小。
C：電纜的彎頭半徑做到盡可能大。
三、伺服電機允許的軸端負載
A：確保在安裝和運轉(zhuǎn)時加到伺服電機軸上的徑向和軸向負載控制在每種型號的規(guī)定值以內(nèi)。
B：在安裝一個剛性聯(lián)軸器時要格外小心，特別是過度的彎曲負載可能導致軸端和軸承的損壞或磨損
C：最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負載低于允許值，此物是專為高機械強度的伺服電機設計的。
D：關于允許軸負載，請參閱“允許的軸負荷表”（使用說明書）。
四、伺服電機安裝注意
A：在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機軸端時，不要用錘子直接敲打軸端。（錘子直接敲打軸端，伺服電機軸另一端的編碼器要被敲壞）
B：竭力使軸端對齊到最佳狀態(tài)（對不好可能導致振動或軸承損壞）。