上海乌吉罕机电：专业生产电缸滑台与伺服电机，解析其工作原理与特点

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什么是伺服电机

伺服电机是指伺服系统中控制机械部件运行的发动机。它是辅助电动机的间接传动装置。

伺服电机可以非常精确地控制速度和位置精度，并且可以将电压信号转换为扭矩和转速来驱动控制对象。上海无忌翰机电工程技术有限公司专业生产电动缸滑轨。伺服电机的转子转速由输入信号控制，能够快速响应。在自动控制系统中用作执行机构，机电时间常数小，线性度好。高启动电压等特性可以将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。它们分为两类：直流伺服电机和交流伺服电机。它们的主要特点是信号电压为零时不旋转，随着扭矩的增大，转速匀速减小。

伺服电机工作原理

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伺服主要依靠脉冲来定位。基本上可以理解为，当伺服电机接收到脉冲时，就会旋转与脉冲对应的角度，从而实现位移。

由于伺服电机本身具有发射脉冲的功能，因此伺服电机每旋转一个角度，就会发射相应数量的脉冲。这样就形成了对伺服电机接收到的脉冲的响应，或者称为闭环。这样，系统就会知道有多少个脉冲被发送到伺服电机，同时又有多少个脉冲被接收回来。这样就可以非常精确地控制电机的转动，从而实现精确定位，可以达到0.001mm。

1.交流伺服电机

交流伺服电机的定子结构与电容分相单相异步电机的定子结构基本相似。定子装有两个位置互差 90° 的绕组。一是励磁绕组Rf，始终接交流电压Uf；另一个是控制绕组L，接控制信号电压Uc。因此，交流伺服电机又称为二次伺服电机。

交流伺服电机的转子通常采用鼠笼式。然而，为了使伺服电机具有较宽的调速范围、线性机械特性、无“自转”现象和快速响应性能，与普通电机相比，应具有转子具有电阻大和转动惯量小两个特点。 。目前广泛采用的转子结构有两种：一种是鼠笼式转子，采用高电阻率导电材料制成的高电阻率导电条。为了减小转子的转动惯量，将转子做得细长；一种是铝合金制成的空心杯形转子。杯壁很薄，只有0.2-0.3毫米。为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内部放置固定的内定子。空心杯形转子 该转子转动惯量小，响应快，运转平稳，因而应用广泛。

当交流伺服电机中没有控制电压时，定子中只有励磁绕组产生脉动磁场，转子保持静止。当有控制电压时，定子中产生旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。当负载一定时，电机的转速随控制电压的变化而变化。当控制电压的相位相反时，伺服电机将反转。

虽然交流伺服电机的工作原理与分相单相异步电机相似，但前者的转子电阻比后者大得多。因此，与单机异步电机相比，伺服电机具有三个显着特点：

1、启动扭矩大

由于转子电阻较大，其转矩特性曲线如图3中的曲线1所示，与普通异步电机的转矩特性曲线2有明显不同。可以使临界滑差比S0>1，不仅使扭矩特性（机械特性）更接近线性，而且具有较大的启动扭矩。因此，当定子有控制电压时，转子立即旋转，具有启动快、灵敏度高的特点。

2、操作范围广

3、无旋转现象

对于正常运行的伺服电机，一旦失去控制电压，电机将立即停止运行。当伺服电机失去控制电压时，处于单相运行状态。由于转子电阻较大，定子和转子中两个方向相反旋转的旋转磁场产生的两种转矩特性（T1-S1、T2-S2曲线）和合成转矩特性（TS曲线）。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W。电源频率为50Hz时，电压为36V、110V、220、380V；电源频率为400Hz时，电压为20V、26V、36V、115V等。

交流伺服电机运行平稳、噪音小。但其控制特性是非线性的，且由于转子电阻大、损耗大、效率低，比同容量的直流伺服电机体积大、重量重，因此只适用于小功率0.5-100W的控制系统。

2.直流伺服电机

直流伺服电机调速原理图

直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机。有刷电机成本低、结构简单、启动扭矩大、调速范围宽、控制容易、需要维护，但维护方便（更换碳刷）、产生电磁干扰、对环境有要求。因此它可用于对成本敏感的一般工业和民用应用。

1、无刷电机体积小、重量轻、出力大、响应快、转速高、惯量小、转动平稳、扭矩稳定。控制复杂，容易实现智能化。其电子换相方式灵活，可以是方波换相，也可以是正弦波换相。电机免维护，效率高，工作温度低，电磁辐射极小，寿命长，可在各种环境下使用。

2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步电机和异步电机。目前，运动控制中普遍采用同步电机。它们的功率范围大，可以实现高功率。惯量大，最高转速低，且随功率增大而迅速降低。因此，适合低速且运行平稳的应用。

3、伺服电机内部转子为永磁体。驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场。转子在该磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器向驱动器反馈信号。驱动器根据反馈值做出响应。与目标值比较来调整转子旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度（线数）。

三、简易伺服电机工作原理

伺服电机工作原理_电路图

伺服电机的工作原理及作用：

伺服电机的作用是驱动控制对象。由信号电压控制被控对象的扭矩和速度。当信号电压的大小和极性改变时，电机的旋转速度和方向也会改变。

伺服电机分类：

交流伺服电机和直流伺服电机。

交流伺服电机：

其原理与两相交流异步电动机相同。定子配备有两个绕组——励磁绕组和控制绕组。

励磁绕组和控制绕组间隔 90°。

接线：

励磁绕组接线 控制绕组接线

励磁绕组中串联电容器C的作用是产生两相旋转磁场。

适当选择电容器的尺寸，可以使流入两个绕组的电流相位差接近90°，从而产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子旋转。

例：选择电容器可以使交流伺服电机电路中电压和电流的相量关系如图所示。

1）当U2=0时，转子停止。

此时，虽然U2=0V，但U1仍然存在，看似处于单相运行状态，但与单相异步机不同。如果单相电机启动运行，出现单相后电机仍会转动。与伺服电机不同，该设备在单相电压运行时无法旋转。

原因：交流伺服电机R2设计得较大。所以当U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页所示：

T=f(s) 交流伺服电机曲线（U2=0时）

当U2=0V时，正向和反向旋转磁场分为脉动磁场产生的扭矩T'和T"的合成扭矩T与单相异步电机不同。合成扭矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，可以立即停止，这体现了控制信号的作用（有控制电压时旋转，无控制电压时不旋转）避免失去控制。

(2)交流伺服电机R2设计较大，使Sm>1，Tst大，启动快，稳定运行范围大。

(3)当控制电压U2变化时，转子转速随之变化，且转速与电压U2成正比。当U2的极性改变时，转子的方向改变。

交流伺服电机机械特性曲线（U1=const）

应用

交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分为50Hz、400Hz等，应用范围广泛，如在自动控制、自动温度记录等系统中。

直流伺服电机

结构：与直流电机基本相同。为了减少转动惯量，使其细长。

工作原理：与直流电机相同。

供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立的电源供电：

U1为励磁电压，U2为电枢电压。

由力学性能可知：

（1）当U1（即磁通￠）不变时，在一定负载下，U2↑，n↑。

(2) 当U2=0时，电机立即停止。

反转：电枢电压极性改变，电机反转。

应用：

直流伺服电机的特性比交流伺服电机的特性更难。常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1-600W。它有很多用途，例如伺服系统中的位置控制。

伺服电机在工业机器人中的应用

机器人产业发展如火如荼，遍地开花。大量机床制造商、伺服制造商等有条件的企业正在转向机器人市场。为什么机床制造商和伺服制造商如此积极地改造和开发机器人？工业机器人有四大部分组成，即本体、伺服器、减速器和控制器。

步进电机用于驱动机器人的关节。要求具有最大的功率质量比和扭矩惯量比、高启动扭矩、低惯量以及宽而平滑的速度范围。

机器人产业的成长需要在伺服、集成控制等领域不断突破才能获得成功。目前我国在伺服等领域仍处于突破阶段，这对本土机器人产业造成负面影响。

工业机器人电动伺服系统的总体结构是三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般来说，对于交流伺服驱动器来说，可以通过手动设置其内部功能参数来实现位置控制、速度控制、扭矩控制等各种功能。

随着工业自动化进程的不断推进，对自动化软硬件设备的需求依然很高。其中，国内工业机器人市场一直稳定增长，预计2015年我国将成为全球最大的需求市场。

同时，也直接带动了伺服系统的市场需求。美莱克提供的MOONS步进伺服电机系统将伺服控制技术完美地融入到一体化电机中，具有精度高、稳定性好、速度快的特点。

目前，交直流伺服电机因其启动扭矩大、扭矩大、惯量低等特点，在工业机器人中得到广泛应用。根据不同的应用需求，其他电机，如交流伺服电机、步进电机也可以用于工业机器人。

特别是对于机器人末端执行器（夹具），应使用尺寸和质量最小的电机。特别是要求快速响应时，伺服电机必须具有高可靠性和较大的短期过载能力。具体使用要求：

快速。

起动力矩惯量比大。

控制特性的连续性和线性。随着控制信号的变化，电机的转速可以连续变化。有时速度需要与控制信号成比例或近似成比例。

速度范围宽。

体积小、质量小、轴向尺寸短。

它能承受恶劣的工作条件，能进行非常频繁的正向和反向操作、加速和减速，并能在短时间内承受过载。

伺服电机行业未来趋势

现代交流伺服系统经历了从模拟到数字的转变后，其内部的数字控制回路已经无处不在，如换向、电流、速度和位置控制等；它们的实现主要是通过新型功率半导体器件，比如高性能DSP加FPGA甚至伺服专用模块的加入也就不足为奇了。而且，新的功率器件或模块每2到2.5年就会更新一次，新的软件算法也日新月异，国际厂商的伺服产品大约每5年更新一次——总之，产品生命周期正在变得越来越短。越来越短，变化越来越快。总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，我们可以看到伺服电机系统的最新发展趋势如下：

高效率

虽然效率一直是伺服系统的重要发展课题，但仍需要不断加强。主要包括电机本身的高效率：如永磁材料性能的提高和更好的磁体安装结构设计；还包括驱动系统的高效率：包括逆变驱动电路的优化、加减速运动的优化、再生系统的优化。动态和能量反馈以及更好的冷却方法等。

直接驱动

直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的直线伺服驱动。通过消除中间机械传动设备（如变速箱）的传动误差，实现高速度和高定位精度。线性电机能够轻松改变形状，使得使用线性线性机构的各种设备能够小型化和轻量化。

高速、高精度、高性能

采用更高精度的编码器、更高的采样精度和数据位、更快的DSP、无齿槽的高性能旋转电机和直线电机，以及自适应、人工智能等多种现代控制策略的应用，不断提高伺服的基本指标系统（控制速度、控制精度）。

整合与融合

电机、反馈、控制、驱动、通信的垂直集成已成为当前低功耗伺服系统的发展方向。有时我们把集驱动和通信于一体的电机称为智能电机，有时我们把集运动控制和通信于一体的驱动器称为智能伺服驱动器。电机、驱动、控制的一体化，使三者从设计制造到运维一体化更加紧密。但这种方式面临较大的技术挑战和工程师的使用习惯，因此很难成为主流，是整个伺服市场中小而有特色的一部分。

概括

通用驱动器配置了大量参数和丰富的菜单功能，使用户无需改变硬件即可轻松设置V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁控制等配置。无刷交流伺服电机控制及再生单元等五种工作模式，适用于各种场合，可驱动不同类型的电机，如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机，也可适应不同的传感器类型甚至没有位置传感器。您可以利用电机本身配置的反馈来构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部位置或速度或扭矩传感器一起构成高精度全闭环控制系统。

聪明的

现代交流伺服驱动器具有参数记忆、故障自诊断和分析功能。大多数进口驱动器都具有负载惯量测量和自动增益调节功能。有的可以自动识别电机参数并自动确定编码器零位，有的可以自动抑制振动。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能与驱动器相结合，为伺服用户提供更好的体验。

网络化和模块化

将现场总线和工业以太网技术，甚至无线网络技术集成到伺服驱动器中，已经成为欧美制造商的普遍做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点是如何适应高性能运动控制数据传输的实时性、可靠性和同步性要求。随着国内大型集散控制装置需求的不断增长和高端数控系统的成功开发，网络化数字伺服的发展成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通信模块的组合，还指伺服驱动器内部软硬件的模块化和可复用性。

从故障诊断到预测性维护

随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经过时。最新产品嵌入了预测性维护技术，可以让人们及时了解重要技术参数的动态趋势，采取预防措施。例如：注意电流上升，评估负载变化时的峰值电流，在外壳或核心温度上升时监视温度传感器，并对电流波形中的任何失真保持警惕。

专业化和多元化

虽然市场上有通用的伺服产品系列，但也有许多针对某些特定应用专门设计和制造的伺服系统。利用磁性材料的不同特性、形状、表面粘合结构和嵌入式永磁转子结构的电机的出现。日本采用分体铁芯结构技术，使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、规模化运行。批量化、自动化，并引起国内厂商研究

小型化和大型化

永磁无刷伺服电机和步进电机都在积极向更小的尺寸发展，如外径20、28、35mm；同时，更高功率、更大尺寸的机型也在开发中，500KW永磁伺服电机已初见端倪。电动机的出现。它反映了两极分化的趋势。

测试方法也在不断改进

与传统电机测试不同，伺服电机的性能主要体现在控制速度和控制精度上。这就带来了一个问题：传统的电机测试方法仅针对电机，无法分析伺服系统的控制特性。

针对这种情况，MPT混合动力电机测试系统可以利用免载发动机技术，连续动态地改变被测电机的负载加载，实现对被测电机在真实环境下的工况模拟，从而使相应的可以进行电机和控制。动态响应控制、实际工况模拟、老化等多种测试，将电机测试带入动态时代，满足当前伺服运动系统行业运动控制相关项目的测试需求。