“伺服”一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。“伺服電機(jī)”可以理解為絕對(duì)服從控制信號(hào)指揮的電機(jī)：在控制信號(hào)發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能即時(shí)停轉(zhuǎn)。

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

伺服電機(jī)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(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)使用環(huán)境有要求，通常用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

無(wú)刷電機(jī)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(dòng)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(jī)免維護(hù)，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長(zhǎng)，適用于各種環(huán)境。

交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，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(yùn)行場(chǎng)合。

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器將反饋信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)器，對(duì)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

伺服電機(jī)的分類

伺服電機(jī)分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機(jī)的基本構(gòu)造與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)）相似。在定子上有兩個(gè)相空間位移90°電角度的勵(lì)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(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。

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

直流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

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

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

直流伺服電機(jī)基本構(gòu)造與一般直流電動(dòng)機(jī)相似。電機(jī)轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動(dòng)勢(shì)，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?chǔ)眨煽刂浦绷魉欧妱?dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時(shí)間響應(yīng)。

交流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無(wú)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(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無(wú)電刷磨損，免維護(hù)（適用于無(wú)塵、易爆環(huán)境）。

缺點(diǎn)：控制較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

伺服電機(jī)的三種控制方法

1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部bai模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。

3、速度模式:通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制,在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位,但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào),此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速,位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了, 這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差,增加整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

伺服電機(jī)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)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(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。

第2環(huán)是速度環(huán)，通過(guò)檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信號(hào)來(lái)進(jìn)行負(fù)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(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說(shuō)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(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)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(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)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(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

審核編輯 黃昊宇

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