伺服电机概述

伺服电机(Servo Motor)

伺服电机定义

转速和转矩受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中做执行元件的一种补助马达间接变速装置。特点：控制信号消失，立即停止转动。

伺服电机分类

直流伺服电机

交流伺服电机

直流伺服电机结构和工作原理

伺服电机接收到一个脉冲，就会旋转相应的角度；伺服电机本身具备发出脉冲的功能，每旋转一定的角度，都会发出对应数量的脉冲。通过对比发出和接受的脉冲可以实时控制监控调整伺服电机的转动。这样，形成了闭环，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。

交流伺服电机结构和工作原理

内部的转子是永磁铁，驱动器控制的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反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，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）。

伺服电机产品

高性能的电伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

伺服电机选型计算方法

1、确认转速和编码器分辨率。

2、计算电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩。

3、计算负载惯量，惯量的匹配。

4、再生电阻的计算和选择。

5、电缆选择。

伺服电机安装使用

1、确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的规定值以内。

2、在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲负载可能导致轴端和轴承的损坏或磨损。最好用柔性联轴器，以便使径向负载低于允许值。

3、在安装/拆卸耦合部件到伺服电机轴端时，不要用锤子直接敲打。

4、竭力使轴端对齐到最佳状态（对不好可能导致振动或轴承损坏）。

伺服电机惯量匹配

在伺服系统选型和调配过程中，要计算机械系统换算到伺服电机轴的转动惯量，选择合适的型号，调试时设置合适的惯量比参数。

T S−T M=Jθ

角加速度θ影响系统的动态特性，θ越大，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越短，系统反应越快。由于伺服电机选定后T s的值不变，若θ越大，则J越小。J大，还会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。: J=J S+J M，J S为伺服电机转子的转动惯量，J M为机械系统的转动惯量。要使J的变化小，就要使J M所占比例小。为了保证系统的灵敏度和稳定性，J M与J S的关系要参照伺服电机型号的推荐值。

J M=∑J i

m

i=1(

ωi

ω

)2+∑M j

n

i=1

(

V j

ω

)2

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。

一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。

如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运

算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为

5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而

改变。

2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

伺服控制器是用来控制伺服马达的一种器件，一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。从结构上看，伺服控制器和变频器器差不多，但对元器件的要求精度和可靠性更高。目前主流的伺服控制器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

伺服控制器也是伺服系统的核心，它的精度决定了伺服控制系统的整体精度。

通用变频器和伺服控制器主要区别有以下几点：

1、伺服控制器通过自动化接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换，同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式(RS23

2、RS485、光纤、InterBus、ProfiBus)，而通用变频器的控制方式比较单一。

2、伺服控制器直接连接旋转变压器或编码器，构成速度、位移控制闭环。而通用变频器只能组成开环控制系统。

3伺服控制器的各项控制指标(如稳态精度和动态性能等)优于通用变频器。