在工業(ye) 應用中，最常見的電機就是伺服電機。

常用它來驅動運動軸，實現高精度定位。

比如，常見的物料取放運動平台，傳(chuan) 送帶，機器人機械手，鏡頭調焦等。

 

伺服電機用於(yu) 物料的取放。

 

伺服電機用於(yu) 物料的取放，帶光學識別。

 

伺服電機用於(yu) 點膠，帶光學識別定位。

 

伺服電機用於(yu) 包裝。

 

伺服電機用於(yu) 酒瓶傳(chuan) 送帶。

 

伺服電機用於(yu) 機器人。

 

伺服電機用於(yu) 機器人。

 

伺服電機用於(yu) XY運動平台，來自HIWIN。

 

伺服電機用於(yu) 單軸運動平台。

 

伺服電機用於(yu) 鏡頭調焦。

那麽(me) 什麽(me) 是伺服電機？常用伺服電機有哪些種類？

01

伺服電機

其實伺服電機是閉環控製係統中的電機，隻要它處於(yu) 閉環係統就可以稱為(wei) 伺服電機。

所以“伺服”其實和電機的結構和種類沒有關(guan) 係。

它可以是我們(men) 之前說的任何電機。

比如直線電機，同步電機，異步電機，直流電機，音圈電機，壓電電機，磁滯電機，甚至步進電機等都可以。

 

步進電機也可以是伺服電機，來自Applied Motion Products。

這裏的重點在於(yu) 閉環。

什麽(me) 是閉環係統（伺服係統）？

 

閉環係統和開環係統示意圖，閉環控製係統有反饋裝置，用來反饋電機的位置，而開環沒有。

 

閉環係統示意圖：兩(liang) 圖中電機都是閉環係統，但是上圖負載是開環係統，下圖負載是閉環係統，因為(wei) 下圖有編碼器和玻璃尺作為(wei) 負載位置反饋。

 

簡化的控製係統示意圖，閉環控製係統有反饋，而開環沒有。

簡言之，閉環係統是一種通過使用反饋裝置，將係統的實際性能與(yu) 其指令性能進行比較，來校正係統誤差（位置、速度或扭矩）的係統。

所以，是否是閉環，重點看係統有沒有反饋信號，並利用反饋信息調整輸入量以控製輸出量，使其接近目標值。

這就像開車，我們(men) 有一個(ge) 目的地和最高限速。我們(men) 可以通過控製油門或者電門來控製速度，使其在不超過最高限速的同時，最快地到達目的地。

 

開車通過油門控製速度示意圖。

在此過程中，我們(men) 知道離目標還有多遠，實時速度是多少。在沒有達到目的地之前，我們(men) 都希望全速前進，但是如果速度超過了最高限製，我們(men) 又稍稍釋放油門或者電門，來降低速度。

明顯地，這裏的速度控製就是一個(ge) 閉環控製。

02

伺服係統

一個(ge) 典型的伺服係統，包含電機，控製器，驅動器，反饋裝置等設備。

 

典型伺服係統構成：包括伺服控製器，伺服驅動器（放大器），電機，編碼器等。

伺服控製器，也稱為(wei) 運動控製器，可以被認為(wei) 是伺服係統的大腦。運動曲線，例如加速度、速度等都由這裏產(chan) 生。控製器向驅動器發送信號，驅動器使電機執行所需的運動。

控製器還擔任閉合係統回路的重要任務，通過不斷讀取編碼器的反饋，並通過驅動器修改傳(chuan) 遞到電機的信號，來糾正實際值和想要值之間的誤差，這些誤差包括位置，速度和扭矩等誤差。

伺服驅動器放大來自主控製器的信號，為(wei) 電機提供足夠的電流以產(chan) 生速度和扭矩。在旋轉電機中，電流與(yu) 扭矩成正比，因此伺服驅動器直接控製電機產(chan) 生的扭矩。同樣，在線性電機中，電流與(yu) 力成正比，因此驅動器控製電機產(chan) 生的力。

反饋通常由編碼器或旋轉變壓器（可以看著是一種傳(chuan) 感器）提供。在需要非常精確定位的應用中，可以使用兩(liang) 個(ge) 反饋設備，一個(ge) 在電機上以驗證電機的性能，另一個(ge) 在負載上以驗證負載的實際位置。

 

雙環控製常用於(yu) 線性軸的精確定位，電機上有旋轉編碼器，線性軸上有線性編碼器，來自ABB。

上麵談到，在伺服電機中，需要控製的量包括位置，速度和扭矩或力。

這些量可以通過編碼器或者光柵尺，霍爾傳(chuan) 感器，LVDT等傳(chuan) 感器來提供（其中扭矩需要電流傳(chuan) 感器檢測），然後由控製器運算並給出控製命令，傳(chuan) 達到驅動器，再由驅動器驅動電機，使其按照設定的位移或者速度或者扭矩運行。

 

一個(ge) 音圈伺服電機剖視圖及其控製回路示意圖，剖視圖中線性編碼器（Linear Scale）擔任反饋裝置。

 

伺服回路：電流與(yu) 旋轉電機中的扭矩，或線性電機中的力成正比。電流傳(chuan) 感器提供流過電機的電流信號，並將信號發送回控製器，控製器從(cong) 命令信號中減去該信號並作用於(yu) 電機。當伺服電機處於(yu) 指令電流時，循環被滿足，直到電流下降到指令電流以下，循環將增加電流直到達到命令電流，整個(ge) 循環過程速度極快，通常在亞(ya) 秒級更新。速度環以相同的方式工作，直流電機電壓與(yu) 速度成正比。當速度低於(yu) 指令速度時，速度環向電流環發送命令以增加電流，從(cong) 而增加電壓。交流電機可以通過編碼器和其他傳(chuan) 感器反饋速度和位置，並通過速度環和位置環改變電流，實現控製。三個(ge) 回路以優(you) 化的方式同步工作，以提供對伺服機構的平滑和精確控製。

 

閉環控製示意圖：電流環嵌套在速度環中，而速度環又嵌套在位置環中。

所以，一部電機是否可以看著伺服電機，最關(guan) 鍵的是看它是否用於(yu) 閉環係統。

反饋裝置可以集成在電機中，也可以和電機分離單獨裝配在係統中。

其實，對伺服電機的探索起源於(yu) 1950年，那時美國致力於(yu) 工廠自動化的升級。

早期的自動化機械和工業(ye) 機器人使用液壓或氣動來控製執行器，但它們(men) 在準確性，可靠性，管道漏油漏氣等方麵存在問題。

隨著技術的進步，直流伺服電機在 50 年代和 60 年代得到增長，並且開始安裝在工業(ye) 機器人中，以取代麻煩的液壓和氣動機構。

與(yu) 此同時，交流伺服電機出現在 80 年代，它們(men) 的好處包括使機器人更小更輕，扭矩脈動更小，因此，現代工業(ye) 機械中使用的大部分伺服電機是交流伺服電機。

03

伺服電機的種類

根據電機的不同分類方法，伺服電機也有不同的類型。

 

伺服電機的分類

1.直流伺服VS交流伺服電機

根據使用交流電還是直流電驅動，伺服電機可以分為(wei) 交流伺服電機和直流伺服電機。

從(cong) 性能的角度來看，交流和直流電機之間的主要區別在於(yu) 速度控製。

對於(yu) 直流電機，速度與(yu) 恒定負載的電源電壓成正比，而在交流電機中，速度由施加電壓的頻率和磁極數決(jue) 定。

 

交流伺服電機示意圖，含有旋轉編碼器。

 

直流伺服電機工作原理示意圖，位置傳(chuan) 感器返回位置信息到控製器。

交流伺服電機分為(wei) 同步電機和異步電機（感應電機），同步電機包含永磁體(ti) ，為(wei) 了增加電機輸出扭矩或者力，永磁體(ti) 的使用量增加，因此成本更高，它們(men) 被廣泛用於(yu) 低功率應用（一般不超過10kW）。

然而，隨著近年來高性能永磁體(ti) 的出現，同步交流伺服電機現已成為(wei) 默認選項，實際上，一些最常見的高性能工業(ye) 伺服電機是三相同步無刷交流電機。

異步電機不使用永磁體(ti) ，往往用於(yu) 更高輸出的應用，比如10kW 或更高。

雖然交流和直流電機都用於(yu) 伺服係統，但交流電機能承受更高的電流。

同時，在無刷直流電機（BLDC ）電機中，定子線圈呈梯形纏繞並產(chan) 生梯形反電動勢波形，這往往會(hui) 產(chan) 生可聽噪聲，換向分六步實現，這會(hui) 產(chan) 生轉矩脈動。

另一方麵，同步交流電機具有正弦繞組定子並使用連續的正弦換向，從(cong) 而消除了 BLDC 電機所經曆的轉矩脈動。

這使得同步交流電機成為(wei) 高性能工業(ye) 伺服應用的首選。

例如機器人，在線製造和其他需要高重複性和高精度的工業(ye) 應用。

2.有刷伺服電機VS無刷伺服電機

而根據電機使用換向器的類型，伺服電機又可以分為(wei) 有刷伺服電機和無刷伺服電機。

有刷電機通常更便宜，操作更簡單，而無刷設計更可靠，效率更高，噪音更小。

有刷直流電機根據定子的結構進一步細分：串聯、並聯、複合或永磁。

雖然伺服係統中使用的大多數電機都是無刷設計，但有時采用有刷永磁直流電機作為(wei) 伺服電機，因為(wei) 它們(men) 簡單且成本低。

伺服應用中最常見的有刷直流電機類型是永磁直流（PMDC）電機。

無刷直流（BLDC）電機也用於(yu) 伺服係統。

無刷直流電機用電子方式代替物理電刷和換向器，通常使用霍爾效應傳(chuan) 感器或編碼器。

 

無刷直流電機結構及控製信號示意圖。

換向器是一種旋轉式電氣開關(guan) ，它周期性地反轉轉子電流方向，以實現連續運轉。

它由一個(ge) 圓柱體(ti) 組成，該圓柱體(ti) 由轉子上的多個(ge) 金屬接觸段組成，與(yu) 電刷之間溝通電流。電刷由柔軟的導電材料（例如碳）製成，通常有兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 電觸點，在換向器旋轉時與(yu) 換向器滑動接觸，實現電流方向的改變和電流導通。

 

有刷直流電機及換向器（Commutator）結構。

 

有刷直流電機及換向器結構。

 

有刷直流電機示意圖。

交流電機通常是無刷的，盡管有些設計（例如可以使用交流或直流電源運行的通用電機）確實有電刷並通過機械換向。

無刷交流（BLAC）電機這一術語可能有點混亂(luan) ，因為(wei) 它們(men) 也被稱為(wei) 永磁交流（PMAC）電機或永磁同步電機（PMSM）。

3.同步伺服電機VS異步伺服電機

最後，根據電機的旋轉磁場和轉子是否同步，又分為(wei) 同步電機和異步電機。

雖然直流電機通常被歸類為(wei) 有刷或無刷電機，但交流電機更頻繁地根據其旋轉磁場的速度進行區分，即同步或異步。

在交流電機中，速度由電源電壓的頻率和磁極數決(jue) 定，該速度稱為(wei) 同步速度。

在同步電機中，轉子以與(yu) 定子旋轉磁場相同的速度旋轉。

在異步電機（通常稱為(wei) 感應電機）中，轉子以比定子旋轉磁場慢的速度旋轉。

當感應電機與(yu) 變頻驅動器配對時，可以實現類似於(yu) 伺服電機的速度控製和性能，但因為(wei) 它們(men) 通常不包含反饋，所以不是真正的伺服設備。

 

幾種伺服電機的對比，來自MECAPOON。

 

伺服電機應用，來自MECAPOON。

04

伺服電機的特性

伺服電機能夠在很寬的速度範圍內(nei) 運行，包括高速和低速而不會(hui) 過熱，並在零速時保持足夠的扭矩以將負載固定到位。

盡管作用在係統上的扭矩量發生了變化，但它們(men) 也可以保持恒定的速度。

伺服電機也可以進行轉矩控製，伺服係統通常由其速度轉矩曲線定義(yi) ，該曲線表示電機的峰值和連續轉矩值。

 

典型伺服電機速度扭矩圖。

峰值扭矩是電機在短時間內(nei) 可以產(chan) 生的最大扭矩，而連續扭矩可以無限期地產(chan) 生。

如果伺服電機長時間以高於(yu) 其連續額定扭矩的方式運行，則會(hui) 產(chan) 生過多的熱量，這會(hui) 損壞電機的電路。

在高於(yu) 其峰值扭矩的情況下運行，伺服電機可能會(hui) 使磁鐵退磁。