基本介紹
- 中文名：伺服電機
- 外文名：Servo motor
- 類型：設備
- 使用場合：自動控制系統
工作原理,發展歷史,選型比較,調試方法,性能比較,選型計算,制動方式,注意事項,特點對比,使用範圍,主要作用,優點,
工作原理
1、伺服系統（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態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。伺服主要靠脈衝來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈衝，就會旋轉1個脈衝對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈衝的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈衝，這樣，和伺服電機接受的脈衝形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈衝給伺服電機，同時又收了多少脈衝回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，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，啟動轉矩大，調速範圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用於對成本敏感的普通工業和民用場合。
伺服電機（圖1）
伺服電機（圖1）無刷電機體積小，重量輕，出力大，回響快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制複雜，容易實現智慧型化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用於各種環境。
3、伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的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反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定於編碼器的精度（線數）。
交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。
發展歷史
交流伺服電機（圖二）日本安川電機製作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器，其中D系列適用於數控工具機（最高轉速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用於機器人（最高轉速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之後又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先後推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅動、8051單片機控制改為正弦波驅動、80C、154CPU和門陣列晶片控制，力矩波動由24%降低到7%，並提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率範圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構、焊接機器人、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。
以生產工具機數控裝置而著名的日本發那科（Fanuc）公司，在20世紀80年代中期也推出了S系列（13個規格）和L系列（5個規格）的永磁交流伺服電動機。L系列有較小的轉動慣量和機械時間常數，適用於要求特別快速回響的位置伺服系統。
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種規格。據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，重量只有後者的1/2，配套的電晶體脈寬調製驅動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。
德國博世（BOSCH）公司生產鐵氧體永磁的SD系列（17個規格）和稀土永磁的SE系列（8個規格）交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅動控制器。
美國著名的伺服裝置生產公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅動器。後合併到AEG，恢復了Gettys名稱，推出A700全數位化的交流伺服系統。
美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅動分部生產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個規格。
I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業驅動分部，曾生產BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。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個規格，全部採用釹鐵硼永磁材料，力矩範圍為0.84～111.2N.m，功率範圍為0.54～15.7kW。配套的驅動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數字型、含位置控制）和Smart Drive（數字型）三個系列，最大連續電流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，現合併到AEG，以生產直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規格的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LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機共14個規格，並生產AXODYN系列驅動器。
原蘇聯為數控工具機和機器人伺服控制開發了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列採用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數據，共12個規格，連續力矩範圍為7～35N.m。2ДBy系列採用稀土永磁，6個機座號17個規格，力矩範圍為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字型MINAS系列交流伺服系統，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種規格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規格,MHMA系列大慣量電動機的功率範圍從0.5～5kW，有7種規格。
韓國三星公司近年開發的全數字永磁交流伺服電動機及驅動系統，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。
現在常採用（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態回響性能。功率變化率表示電動機連續（額定）力矩和轉子轉動慣量之比。
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範圍、線性的機械特性，無“自轉”現象和快速回響的性能，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。目前套用較多的轉子結構有兩種形式：一種是採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；另一種是採用鋁合金製成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子.空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛採用。
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，在負載恆定的情況下，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。
永磁交流伺服電動機
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，因此工作可靠，對維護和保養要求低。
⑵定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小，易於提高系統的快速性。
⑷適應於高速大力矩工作狀態。
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
1、起動轉矩大
由於轉子電阻大，與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0>1，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近於線性，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、運行範圍較廣
3、無自轉現象
正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓後，它處於單相運行狀態，由於轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉矩特性（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、噪音小。但控制特性是非線性，並且由於轉子電阻大，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，所以只適用於0.5-100W的小功率控制系統。
調試方法
1、初始化參數
在接線之前，先初始化參數。
在控制卡上：選好控制方式；將PID參數清零；讓控制卡上電時默認使能信號關閉；將此狀態保存，確保控制卡再次上電時即為此狀態。
在伺服電機上：設定控制方式；設定使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設定控制信號與電機轉速的比例關係。一般來說，建議使伺服工作中的最大設計轉速對應9V的控制電壓。比如，山洋是設定1V電壓對應的轉速，出廠值為500，如果你只準備讓電機在1000轉以下工作，那么，將這個參數設定為111。
2、接線
將控制卡斷電，連線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。複查接線沒有錯誤後，電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應該不動，而且可以用外力輕鬆轉動，如果不是這樣，檢查使能信號的設定與接線。用外力轉動電機，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定
3、試方向
對於一個閉環控制系統，如果反饋信號的方向不正確，後果肯定是災難性的。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。使用這個指令或參數，看電機的轉速和方向是否可以通過這個指令（參數）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數設定。確認給出正數，電機正轉，編碼器計數增加；給出負數，電機反轉轉，編碼器計數減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要採用這種方式。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，使其一致。
4、抑制零漂
在閉環控制過程中，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，仔細調整，使電機的轉速趨近於零。由於零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉速絕對為零。
5、建立閉環控制
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，至於多大算較小，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，電機應該已經能夠按照運動指令大致做出動作了。
6、調整閉環參數
細調控制參數，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，更多的是經驗，這裡只能從略了。
性能比較
伺服電機與步進電機的性能比較
步進電機作為一種開環控制的系統，和現代數字控制技術有著本質的聯繫。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的套用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地套用於數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈衝串和方向信號），但在使用性能和套用場合上存在著較大的差異。現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分後步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設定為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後端的旋轉編碼器保證。以三洋全數字式交流伺服電機為例，對於帶標準2000線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈衝當量為360°/8000=0.045°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈衝電機轉一圈，即其脈衝當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。
二、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認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象對於機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。
交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，並且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便於系統調整。
三、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。
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為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的二到三倍，可用於克服慣性負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矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
五、運行性能不同
步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行採樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
六、速度回響性能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優於步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。
選型計算
一、轉速和編碼器解析度的確認。
二、電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算。
三、計算負載慣量，慣量的匹配，安川伺服電機為例，部分產品慣量匹配可達50倍，但實際越小越好，這樣對精度和回響速度好。
四、再生電阻的計算和選擇，對於伺服，一般2kw以上，要外配置。
五、電纜選擇，編碼器電纜雙絞禁止的，對於安川伺服等日系產品絕對值編碼器是6芯，增量式是4芯。
制動方式
用戶往往對電磁製動，再生制動，動態制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。
動態制動器由動態制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。
再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產生的能量通過逆變迴路反饋到直流母線，經阻容迴路吸收。
電磁製動是通過機械裝置鎖住電機的軸。
三者的區別：
(1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態制動器和電磁製動工作時不需電源。
(2)再生制動的工作是系統自動進行，而動態制動器和電磁製動的工作需外部繼電器控制。
(3)電磁製動一般在SV、OFF後啟動，否則可能造成放大器過載，動態制動器一般在SV、OFF或主迴路斷電後啟動，否則可能造成動態制動電阻過熱。
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境中。
B：如果伺服電機連線到一個減速齒輪，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線處。
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），並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儘可能大。
三、伺服電機允許的軸端負載
A：確保在安裝和運轉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定值以內。
B：在安裝一個剛性聯軸器時要格外小心，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：最好用柔性聯軸器，以便使徑向負載低於允許值，此物是專為高機械強度的伺服電機設計的。
D：關於允許軸負載，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（對不好可能導致振動或軸承損壞）。
特點對比
直流無刷伺服電機特點
轉動慣量小、啟動電壓低、空載電流小； 棄接觸式換向系統，大大提高電機轉速，最高轉速高達100 000rpm；無刷伺服電機在執行伺服控制時，無須編碼器也可實現速度、位置、扭矩等的控制； 不存在電刷磨損情況，除轉速高之外，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、調速範圍寬
2.低速力矩大, 波動小，運行平穩
3.低噪音,高效率
4.後端編碼器反饋（選配）構成直流伺服等優點
5.變壓範圍大，頻率可調
使用範圍
直流伺服電機可套用在是火花機、機械手、精確的機器等。可同時配置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。 調速性好，單位重量和體積下，輸出功率最高，大於交流電機，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裡面使用。就是說它隨時把信號傳給系統，同時把系統給出的信號來修正自己的運轉。
伺服電機也可用單片機控制。
優點
首先我們來看一下伺服電機和其他電機（如步進電機）相比到底有什麼優點：
1、精度：實現了位置，速度和力矩的閉環控制；克服了步進電機失步的問題；
2、轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉；
3、適應性：抗過載能力強，能承受三倍於額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；
4、穩定：低速運行平穩，低速運行時不會產生類似於步進電機的步進運行現象。適用於有高速回響要求的場合；
5、及時性：電機加減速的動態相應時間短，一般在幾十毫秒之內；
6、舒適性：發熱和噪音明顯降低。
簡單點說就是：平常看到的那種普通的電機，斷電後它還會因為自身的慣性再轉一會兒，然後停下。而伺服電機和步進電機是說停就停，說走就走，反應極快。但步進電機存在失步現象。
伺服電機的套用領域就太多了。只要是要有動力源的，而且對精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機。如工具機、印刷設備、包裝設備、紡織設備、雷射加工設備、機器人、自動化生產線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設備。
