在工業應用中，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臺，傳送帶，機器人機械手，鏡頭調焦等。

 

伺服電機用于物料的取放。

 

伺服電機用于物料的取放，帶光學識別。

 

伺服電機用于點膠，帶光學識別定位。

 

伺服電機用于包裝。

 

伺服電機用于酒瓶傳送帶。

 

伺服電機用于機器人。

 

伺服電機用于機器人。

 

伺服電機用于XY運動平臺，來自HIWIN。

 

伺服電機用于單軸運動平臺。

 

伺服電機用于鏡頭調焦。

那么什么是伺服電機？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制系統中的電機，只要它處于閉環系統就可以稱為伺服電機。

所以“伺服”其實和電機的結構和種類沒有關系。

它可以是我們之前說的任何電機。

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。

這里的重點在于閉環。

什么是閉環系統（伺服系統）？

 

閉環系統和開環系統示意圖，閉環控制系統有反饋裝置，用來反饋電機的位置，而開環沒有。

 

閉環系統示意圖：兩圖中電機都是閉環系統，但是上圖負載是開環系統，下圖負載是閉環系統，因為下圖有編碼器和玻璃尺作為負載位置反饋。

 

簡化的控制系統示意圖，閉環控制系統有反饋，而開環沒有。

簡言之，閉環系統是一種通過使用反饋裝置，將系統的實際性能與其指令性能進行比較，來校正系統誤差（位置、速度或扭矩）的系統。

所以，是否是閉環，重點看系統有沒有反饋信號，并利用反饋信息調整輸入量以控制輸出量，使其接近目標值。

這就像開車，我們有一個目的地和最高限速。我們可以通過控制油門或者電門來控制速度，使其在不超過最高限速的同時，最快地到達目的地。

 

開車通過油門控制速度示意圖。

在此過程中，我們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，我們都希望全速前進，但是如果速度超過了最高限制，我們又稍稍釋放油門或者電門，來降低速度。

明顯地，這里的速度控制就是一個閉環控制。

02

伺服系統

一個典型的伺服系統，包含電機，控制器，驅動器，反饋裝置等設備。

 

典型伺服系統構成：包括伺服控制器，伺服驅動器（放大器），電機，編碼器等。

伺服控制器，也稱為運動控制器，可以被認為是伺服系統的大腦。運動曲線，例如加速度、速度等都由這里產生。控制器向驅動器發送信號，驅動器使電機執行所需的運動。

控制器還擔任閉合系統回路的重要任務，通過不斷讀取編碼器的反饋，并通過驅動器修改傳遞到電機的信號，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制器的信號，為電機提供足夠的電流以產生速度和扭矩。在旋轉電機中，電流與扭矩成正比，因此伺服驅動器直接控制電機產生的扭矩。同樣，在線性電機中，電流與力成正比，因此驅動器控制電機產生的力。

反饋通常由編碼器或旋轉變壓器（可以看著是一種傳感器）提供。在需要非常精確定位的應用中，可以使用兩個反饋設備，一個在電機上以驗證電機的性能，另一個在負載上以驗證負載的實際位置。

 

雙環控制常用于線性軸的精確定位，電機上有旋轉編碼器，線性軸上有線性編碼器，來自ABB。

上面談到，在伺服電機中，需要控制的量包括位置，速度和扭矩或力。

這些量可以通過編碼器或者光柵尺，霍爾傳感器，LVDT等傳感器來提供（其中扭矩需要電流傳感器檢測），然后由控制器運算并給出控制命令，傳達到驅動器，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。

 

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

 

伺服回路：電流與旋轉電機中的扭矩，或線性電機中的力成正比。電流傳感器提供流過電機的電流信號，并將信號發送回控制器，控制器從命令信號中減去該信號并作用于電機。當伺服電機處于指令電流時，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，整個循環過程速度極快，通常在亞秒級更新。速度環以相同的方式工作，直流電機電壓與速度成正比。當速度低于指令速度時，速度環向電流環發送命令以增加電流，從而增加電壓。交流電機可以通過編碼器和其他傳感器反饋速度和位置，并通過速度環和位置環改變電流，實現控制。三個回路以優化的方式同步工作，以提供對伺服機構的平滑和精確控制。

 

閉環控制示意圖：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，最關鍵的是看它是否用于閉環系統。

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系統中。

其實，對伺服電機的探索起源于1950年，那時美國致力于工廠自動化的升級。

早期的自動化機械和工業機器人使用液壓或氣動來控制執行器，但它們在準確性，可靠性，管道漏油漏氣等方面存在問題。

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，并且開始安裝在工業機器人中，以取代麻煩的液壓和氣動機構。

與此同時，交流伺服電機出現在 80 年代，它們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，伺服電機可以分為交流伺服電機和直流伺服電機。

從性能的角度來看，交流和直流電機之間的主要區別在于速度控制。

對于直流電機，速度與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，位置傳感器返回位置信息到控制器。

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

然而，隨著近年來高性能永磁體的出現，同步交流伺服電機現已成為默認選項，實際上，一些最常見的高性能工業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，往往用于更高輸出的應用，比如10kW 或更高。

雖然交流和直流電機都用于伺服系統，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并產生梯形反電動勢波形，這往往會產生可聽噪聲，換向分六步實現，這會產生轉矩脈動。

另一方面，同步交流電機具有正弦繞組定子并使用連續的正弦換向，從而消除了 BLDC 電機所經歷的轉矩脈動。

這使得同步交流電機成為高性能工業伺服應用的首選。

例如機器人，在線制造和其他需要高重復性和高精度的工業應用。

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、并聯、復合或永磁。

雖然伺服系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伺服電機，因為它們簡單且成本低。

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）電機也用于伺服系統。

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感器或編碼器。

 

無刷直流電機結構及控制信號示意圖。

換向器是一種旋轉式電氣開關，它周期性地反轉轉子電流方向，以實現連續運轉。

它由一個圓柱體組成，該圓柱體由轉子上的多個金屬接觸段組成，與電刷之間溝通電流。電刷由柔軟的導電材料（例如碳）制成，通常有兩個或多個電觸點，在換向器旋轉時與換向器滑動接觸，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）確實有電刷并通過機械換向。

無刷交流（BLAC）電機這一術語可能有點混亂，因為它們也被稱為永磁交流（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

最后，根據電機的旋轉磁場和轉子是否同步，又分為同步電機和異步電機。

雖然直流電機通常被歸類為有刷或無刷電機，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定，該速度稱為同步速度。

在同步電機中，轉子以與定子旋轉磁場相同的速度旋轉。

在異步電機（通常稱為感應電機）中，轉子以比定子旋轉磁場慢的速度旋轉。

當感應電機與變頻驅動器配對時，可以實現類似于伺服電機的速度控制和性能，但因為它們通常不包含反饋，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。

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伺服電機的特性

伺服電機能夠在很寬的速度范圍內運行，包括高速和低速而不會過熱，并在零速時保持足夠的扭矩以將負載固定到位。

盡管作用在系統上的扭矩量發生了變化，但它們也可以保持恒定的速度。

伺服電機也可以進行轉矩控制，伺服系統通常由其速度轉矩曲線定義，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可以產生的最大扭矩，而連續扭矩可以無限期地產生。

如果伺服電機長時間以高于其連續額定扭矩的方式運行，則會產生過多的熱量，這會損壞電機的電路。

在高于其峰值扭矩的情況下運行，伺服電機可能會使磁鐵退磁。