“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思?！?a target="_blank">伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機：在控制信號發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；當(dāng)控制信號發(fā)出時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)控制信號消失時，轉(zhuǎn)子能即時停轉(zhuǎn)。

伺服電機是自動控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機，其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

伺服電機工作原理

伺服系統(tǒng)（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。

有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

無刷電機體積小重量輕，出力大響應(yīng)快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑，控制復(fù)雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，其功率范圍大，功率可以做到很大，大慣量，最高轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)速隨功率增大而勻速下降，適用于低速平穩(wěn)運行場合。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器將反饋信號傳給驅(qū)動器，對反饋值與目標值進行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度，伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

伺服電機的分類

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機的基本構(gòu)造與交流感應(yīng)電動機（異步電機）相似。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電機運行的目的。

交流伺服電機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應(yīng)快速、靈敏度高以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

直流伺服電機的優(yōu)缺點

優(yōu)點：速度控制精確，轉(zhuǎn)矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒(無塵易爆環(huán)境不宜)。

直流伺服電機基本構(gòu)造與一般直流電動機相似。電機轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，K為常數(shù)，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動機具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應(yīng)。

交流伺服電機的優(yōu)缺點

優(yōu)點：速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運行區(qū)域內(nèi)，可實現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護（適用于無塵、易爆環(huán)境）。

缺點：控制較復(fù)雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

伺服電機的三種控制方法

1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部bai模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。

3、速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制,在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了, 這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加整個系統(tǒng)的定位精度。

伺服電機的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)

伺服電機一般為三個環(huán)控制，三環(huán)就是3個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設(shè)定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統(tǒng)實際也在進行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達到對速度和位置的相應(yīng)控制。

第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構(gòu)建，要根據(jù)實際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有3個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

審核編輯 黃昊宇

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