伺服电机的应用范围介绍及应用前景分析

一、行业相关定义及其分类

伺服电机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。伺服电机可以控制速度，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。

根据观研报告网发布的《中国伺服电机市场竞争现状调研与投资战略评估报告(2023-2030年)》显示，伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类。其中、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率;直流伺服电机分为有刷和无刷电机，其成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对环境有要求。

二、行业发展现状

虽然我国伺服产品起步较晚，但近年来随着下游工业机器人、电子制造设备等等产业迅速扩张，伺服电机在新型产业的应用规模增长迅速，整体市场规模也不断增长。目前我国伺服电机正处于成长阶段。数据显示，2021年我国伺服电机市场规模达169亿元，同比增长13.42%。预计2022年我国伺服电机市场规模将达到181亿元。

伺服电机是一种在机械行业中广泛应用的关键设备。它的应用场合无处不在，发挥着重要的作用。

伺服电机通过接收控制信号，能够精确地控制转动角度和转速。这使得它成为许多机械设备的理想选择。在自动化生产线上，伺服电机被广泛应用于各种工艺中，如装配、包装和搬运。它们能够实现高精度定位和运动控制，提高生产效率和质量。

在机械制造过程中，伺服电机也扮演着重要的角色。它们被应用于数控机床、切割设备和注塑机等设备中，为工件加工提供精准的动力输出。伺服电机的高速响应和稳定性使得机械加工过程更加可靠和高效。

此外，伺服电机还广泛应用于机器人技术领域。机器人需要准确地感知和控制其运动，以完成各种任务。伺服电机作为机器人关节驱动装置，能够提供高精度的运动控制，使机器人能够灵活地执行各种复杂动作。

除了机械行业，伺服电机在其他领域也得到了应用。例如，它们被广泛用于医疗设备、航空航天和电子设备中。在医疗设备中，伺服电机用于控制手术机器人和影像设备，为医生提供精确的操作和诊断结果。在航空航天领域，伺服电机被用于控制飞行器的各种运动，确保飞行安全和稳定性。在电子设备中，伺服电机则用于硬盘驱动器和自动对焦相机等领域。

总而言之，伺服电机的应用场合非常广泛，涵盖了机械行业的各个领域。其高精度、高效率的特点，使得它成为现代工业中不可或缺的设备。随着科技的不断发展，相信伺服电机的应用将会进一步扩大，为各行各业带来更多便利和创新。

机电一体化的伺服控制系统的结构类型繁多，就从自动控制理论的角度来进行分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、检测环节、比较环节、执行环节等五部分。

1、控制器

控制器通常是PID控制电路或计算机， 控制器主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，用来控制执行元件按要求动作。

2、被控对象

被控对象多指一些机械参数量，例如：位移、加速度、力、速度和力矩等。

3、执行环节

执行环节的作用是按控制信号的规则，将输入的各形式能量转化成机械能，驱动被控对象工作。

4、检测环节

检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要量纲的装置，一般包括传感器(编码器)和转换电路。

5、比较环节

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入之间的偏差信号。这个环节通常由专门的电路或计算机来实现。

伺服系统的现状

1、伺服驱动产品

1.1伺服电机

按容量将其分为大容量、中容量、小容量、超小容量(MINI型)四种类型。其中，功率在22―55KW之间为大容量型，功率在300W―15KW之间为中容量型，功率在30―750W之间为小容量型，功率在10―20W之间为超小容量型。

1.2编码器

现在以信号线数量是5根的新型的位置编码器居多，分为绝对值型和增量型两种，具有62.5μs的通信周期，12位的数据长度，4 M/s的通信速率，高达20 bit/rev编码器分辨率，也就是说每转生成100万个脉冲，有高达6000 r/min的转速，且仅用16μA电流。

除了光电编码器之外，磁编码器值得关注。磁编码器的重量和体积都比光电编码器小几十倍，温度范围更宽，几乎不怕冲击和振动。其工作原理非常简单，磁编码器的定子是一颗内嵌霍尔磁敏元件和DSP的芯片，体积可以小到MSOP-24封装，它的转子是一颗两极磁钢。它的分辨率是16位，精度是12位。

1.3伺服控制单元

伺服控制单元也叫伺服控制器或是伺服驱动器。虽有较低成本、较快的相应速度、连续性较好的特点，但传统模拟控制会因为温度升高发生漂移，调试系统不易掌握，柔性化设计实现难，无法完成复杂的计算，对现代控制理论指导下的控制算法无法实现等。

1.4上位控制

从上面的CNC控制器、运动控制器及可编程控制器(PLC)，能连接到底端的CNC控制器、通用输入/输出(I/O)控制单元。可控制单轴，在高达44轴的模式下也可控制，从模拟到网络不同类型的信号可通过控制器进行连接。

2、比较直流与交流伺服系统

液压的伺服系统现在已经发展成为电气伺服系统，存在直流(DC)和交流(AC)两种类型之分。

直流伺服电机流行于20世纪70年代，但在70年代末至80年代初，其逐渐被交流伺服驱动技术取代，且当时工业领域实现自动化的基础技术就包括交流伺服驱动技术。

由于电机本身有一定缺陷，所以直流伺服驱动技术发展受到了影响。因直流伺服电机结构复杂、转子在运行过程中温度逐渐升高，使其无法精准确地连接其他机械设备，而且在大容量和高速的情况很难派上用场。因此，直流伺服驱动技术机械转向器的发展瓶颈就产生了。

负荷特性和低惯性是交流伺服电机两大特点。这个就体现了交流伺服电机的比较优势。因为直流伺服电机换向器、电刷等部件所造成的各种问题在交流伺服电机中都被避免了，因此，包括工厂自动化(FA)在内的许多领域都广泛使用交流伺服系统。

. 优点

1.1 高精度伺服电机通过反馈控制系统，能够实现高精度的位置控制，适用于需要高精度控制的场合。

1.2 高效率伺服电机在运行时能够保持高效率，能够节省能源，适用于需要长时间运行的场合。

1.3 快速响应伺服电机能够快速响应控制信号，能够适应高速运动的场合。

1.4 广泛应用伺服电机被广泛应用于机器人、自动化设备、数控机床等领域，具有很大的市场潜力。

2. 缺点

2.1 价格高伺服电机的价格相对较高，适用于对价格要求不高的场合。

2.2 控制系统复杂伺服电机的控制系统相对较为复杂，需要专业人员进行调试和维护。

2.3 需要专用设备伺服电机需要配合专用设备才能发挥其优势，适用于需要高精度、高效率的场合。

3. 应用场合

3.1 机器人伺服电机在机器人领域有着广泛的应用，能够实现机器人的高精度运动控制。

3.2 自动化设备伺服电机能够实现自动化设备的高精度控制，适用于需要长时间运行的场合。

3.3 数控机床伺服电机在数控机床领域有着广泛的应用，能够实现高精度的工件加工。

伺服电机作为一种高精度、高效率的电机，具有广泛的应用场合。虽然伺服电机存在一些缺点，如价格高、控制系统复杂等，但在需要高精度、高效率的场合，伺服电机仍然是一种不可替代的选择。