交流伺服电机伺服电机究竟是怎样工作的？

什么是伺服电机

伺服电机是控制伺服系统中机械元件运行的发动机，是辅助电机的间接变速装置。

伺服电机可以精确控制速度和位置，并将电压信号转换成扭矩和转速来驱动被控对象。伺服电机转子速度由输入信号控制，并能快速响应。在自动控制系统中，它作为执行机构，具有机电时间常数小、线性度高、启动电压低等特点。它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并输出。它分为两类:DC伺服电机和交流伺服电机。它的主要特点是信号电压为零时，没有旋转现象，转速随着扭矩的增加而匀速下降。

伺服电机的工作原理

伺服主要靠脉冲定位。基本上可以理解为伺服电机接收到脉冲时，会旋转一个与脉冲对应的角度，从而实现位移。

由于伺服电机本身具有发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度就会发出相应数量的脉冲，从而与伺服电机接收到的脉冲形成回波或闭环。这样系统就会知道有多少脉冲发送到伺服电机，同时又有多少脉冲接收回来，从而可以精确控制电机的转动，从而实现精确定位，可以达到0.001 mm。

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基本相似。定子配有两个位置相差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，始终接交流电压Uf；另一个是与控制信号电压Uc连接的控制绕组l。所以交流伺服电机也叫两个伺服电机。交流伺服电机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电机具有调速范围宽、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，它应该具有转子电阻大和转动惯量小两个特点。目前广泛使用的转子结构有两种:一种是采用高电阻率导电材料制成的高电阻率导电棒的鼠笼式转子，为了减小转子的转动惯量，将转子做成细长形；另一种是由铝合金制成的空杯形转子。杯壁很薄，只有0.2-0.3 mm，为了减小磁路的磁阻，需要在空杯状转子中放置一个固定的内定子。空杯形转子转动惯量小，响应快，运行稳定，因此得到广泛应用。交流伺服电机没有控制电压时，只有励磁绕组产生的脉动磁场在定子中，转子静止。当存在控制电压时，定子中产生旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。负载不变时，电机转速随控制电压变化，当控制电压相位相反时，伺服电机反转。虽然交流伺服电机的工作原理与分相单相异步电机相似，但前者的转子电阻远大于后者。因此，与单机异步电机相比，伺服电机有三个显著的特点:1。起动转矩因转子电阻大而大，其转矩特性曲线如图3中的曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2明显不同。可以使临界滑差S0 > 1，不仅使转矩特性(机械特性)更加线性，而且具有更大的起动转矩。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。伺服电机运行正常无旋转现象，只要失去控制电压，电机就会立即停止运行。当伺服电机失去控制电压时，处于单相运行状态。由于转子电阻大，交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，这是由定子和转子中两个反向旋转的旋转磁场相互作用产生的两个转矩特性(T1-S1、T2-S2曲线)和复合转矩特性(T-S曲线)造成的。电源频率为50Hz时，电压为36V、110V、220 V、380V；当电源频率为400Hz时，电压为20V、26V、36V、115V等。交流伺服电机运行平稳，噪音低。但控制特性是非线性的，而且由于转子电阻大、损耗大、效率低，比同等容量的DC伺服电机更大更重，所以只适用于0.5-100W W的低功率控制系统

二、DC伺服电机

DC伺服电机速度控制示意图

伺服电机工作原理_电路图

伺服电机的工作原理和功能；

伺服电机的作用是驱动被控对象。受控对象的扭矩和速度由信号电压控制。当信号电压的大小和极性改变时，电机的转速和方向也会改变。

伺服电机分类:

交流伺服电机和DC伺服电机。

交流伺服电机:

原理同两相交流异步电动机。定子配有两个绕组——励磁绕组和控制绕组。

伺服电机在工业机器人中的应用

机器人产业的成长如火如荼，遍地开花。大量机床制造商、伺服制造商等有资质的企业转向机器人市场。为什么机床厂商和伺服厂商这么积极的改造开发机器人？工业机器人有本体、伺服、减速器和控制器四大部件。

机器人关节采用步进电机驱动，要求最大功率质量比、扭矩惯性比、高起动扭矩、低惯性、宽平稳速度范围。

随着机器人产业的发展，有必要在伺服和集成控制方面取得突破。目前我国在伺服等领域还处于突破阶段，对当地机器人行业产生了负面影响。

工业机器人电动伺服系统的总体结构是三闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般对于交流伺服驱动器，通过手动设置其内部功能参数，可以实现位置控制、速度控制、扭矩控制等多种功能。

随着工业自动化的不断推进，对自动化软硬件设备的需求仍然很高，国内工业机器人市场一直在稳步增长。预计2015年中国将成为全球最大的需求市场。

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

目前，工业机器人广泛采用高起动转矩、大转矩、低惯性的交流和DC伺服电机。其他电机，如交流伺服电机、步进电机等，也会根据不同的应用需求应用到工业机器人上。

特别是机器人末端执行器(手爪)应采用体积和质量尽可能小的电机，特别是要求快速响应时，伺服电机必须具有高可靠性和大的短时过载能力。具体使用要求:

牢度。

起动转矩惯性比大。

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

调速范围宽。

体积小，质量小，轴向尺寸短。

它能承受恶劣的工作条件，能进行非常频繁的前进后退和加减速操作，能在短时间内承受过载。

伺服电机行业的未来趋势

现代交流伺服系统从模拟到数字转换后，内部数字控制回路无处不在，如换相、电流、速度、位置控制等。不足为奇的是，它主要是通过新的功率半导体器件来实现的，比如高性能的DSP加FPGA，甚至还有专门的伺服模块。而且每2 ~ 2.5年就会有新的动力装置或模块更新，新的软件算法也会日新月异。国际厂商的伺服产品会每5年更新一次——总之产品生命周期越来越短，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，可以看出伺服电机系统的最新发展趋势如下:

高效率

虽然高效率一直是伺服系统的重要发展课题，但仍需加强。主要包括电机本身的高效率，比如永磁材料性能的提高，磁体安装结构的更好设计；它还包括驱动系统的高效率，包括逆变器驱动电路的优化、加速和减速、再生制动和能量反馈，以及更好的冷却方法。

直接驱动

直接驱动包括转盘伺服驱动和直线伺服驱动。由于消除了中间机械传动设备(如变速箱)的传动误差，实现了高速、高定位精度。但是直线电机容易改变形状，可以使各种带有直线机构的装置实现小型化和轻量化。

高速、高精度、高性能

通过采用更高精度的编码器、采样精度和数据位更高、速度更快的DSP、无齿槽效应的高性能旋转电机和直线电机，应用自适应、人工智能等多种现代控制策略，伺服系统的基本指标(控制速度、控制精度)不断提高。

整合整合

电机、反馈、控制、驱动和通信的垂直一体化已成为当前低功耗伺服系统的发展方向。有时我们把这种集成了驱动和通信的电机称为智能电机，有时我们把集成了运动控制和通信的驱动器称为智能伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使它们从设计和制造到操作和维护更加紧密地集成在一起。但是这种方法面临着更大的技术挑战和工程师的使用习惯，很难成为主流，在整个伺服市场上是一个小而有特色的部分。

一般化

万能驱动器配有大量参数和丰富的菜单功能，方便用户设置V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电机控制和再生单元五种工作模式，无需改变硬件配置。它适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，如异步电机、永磁同步电机、无刷DC电机、步进电机，也可以适应不同类型的传感器，甚至不适应。电机本身的反馈可以形成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部位置或速度或扭矩传感器形成高精度全闭环控制系统。

智力

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。进口驱动大多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，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相结合，为伺服用户提供了更好的体验。

网络化和模块化

将现场总线、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。如何适应高性能运动控制对数据传输的实时性、可靠性和同步性的要求，是现代工业局域网发展的重要方向，也是各种总线标准竞争的焦点。随着我国对大型分布式控制设备需求的不断增加和高档数控系统的成功开发，网络化数字伺服的发展已成为一项紧迫的任务。模块化不仅是指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块和通信模块的组合，也是指伺服驱动内部软硬件的模块化和可重用性。