伺服电机特点及分类

伺服电机servomotor

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。

伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类

交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。 在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。 交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。

直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

直流伺服电机的优点和缺点

优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。

缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)

交流伺服电机的优点和缺点

优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护(适用于无尘、易爆环境)

缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本**的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，其功率范围大，功率可以做到很大，大惯量，**转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用于低速平稳运行场合。伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机：有刷电机结构简单、成本低、调速范围宽、起动转矩大、控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，因此它可用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机具有产量大、重量轻、体积小、速度高、响应快、惯性小、转动平稳、转矩稳定等优点，控制复杂、易于实现智能化，其电子换向方式灵活，可以是方波换向，也可以是正弦波换向。电机效率高、免维护、电磁辐射小、工作温度低、使用寿命长，可在各种环境下使用。DC伺服电机可用于火花机、机械手、精 密机床等，同时可配2500P/R标准编码器和高解析的速度表，还可配减速器，为机械设备带来可靠的精度和高扭矩。直流伺服电机调速好、单位重量体积小、输出功率高，比交流电机大，远远超过步进电机，多级结构的力矩波动较小。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步电机和异步电机。目前运动控制一般采用同步电机，功率范围大，可以实现很大的功率。交流伺服电机惯性大、转速高、转速低，随着功率的增加迅速降低，因此适合低速稳定运行。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，它的定子装有两个位置相差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，始终接交流电压Uf;另一个是连接到控制信号电压Uc的控制绕组L。因此，交流伺服电机也称为双伺服电机。交流伺服电机的转子通常采用鼠笼式，但是为了使伺服电机具有宽调速范围、线性机械特性、无“自转”现象和快速响应性能，它与普通电机相比应具有转子电阻大和转动惯量小两个特点。

伺服电机内部的转子是一个磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成一个电磁场，转子在这个磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器将信号反馈给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，调整转子的旋转角度，伺服电机的精度取决于编码器的精度。

在数控机床中，进给系统常用直流伺服电机主要有以下几种：

(1)小惯性直流伺服电机

小惯性直沈伺服电机因转动惯盆小而得名。这类电机一般为水磁式，电枢绕组有无相电枢式、印刷电枢式和空心杯电枢式三种。因为小惯量直流电机最大限度地减小了电枢的转动惯量。所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上。这类伺服电机应用得比较多。小恤见伺服电机在有些国家的数控机床上至今仍然在使用。如法国等。

(2)直流力矩电机

又称大惯量宽调速直流伺服电机。一方面，由于它的转子直径较大。线圈绕组匝数增加。力矩大。转动饭盆比较其他类型电机大。且能够在较大过载转矩时长时间地工作。因此可以直接与丝杠相连，不豁要中间传动装置。另一方面，由于它没有励磁回路的损耗，它的外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。它还有一个突出的特点，是能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1r/min，甚至0.1r/min。因此。这种伺服电机在数控机床上得到了广泛地应用。

(3)无刷直流伺服电机

这种伺服电机又叫无整流子电机。它没有换向器。由同步电机和逆变器组成，逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。它实质是一种交流调速电机，由于其调速性能可达到直流伺服发电机的水平。又取消了换向装置和电刷部件，大大地提高了电机的使用寿命。