【原】什么是伺服電機(jī)？常用伺服電機(jī)有哪些？有什么應(yīng)用？

羅羅日記 2023-10-13 發(fā)布于四川

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在工業(yè)應(yīng)用中，最常見的電機(jī)就是伺服電機(jī)。

常用它來驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)高精度定位。

比如，常見的物料取放運(yùn)動(dòng)平臺，傳送帶，機(jī)器人機(jī)械手，鏡頭調(diào)焦等。

伺服電機(jī)用于物料的取放。

伺服電機(jī)用于物料的取放，帶光學(xué)識別。

伺服電機(jī)用于點(diǎn)膠，帶光學(xué)識別定位。

伺服電機(jī)用于包裝。

伺服電機(jī)用于酒瓶傳送帶。

伺服電機(jī)用于機(jī)器人。

伺服電機(jī)用于XY運(yùn)動(dòng)平臺，來自HIWIN。

伺服電機(jī)用于單軸運(yùn)動(dòng)平臺。

伺服電機(jī)用于鏡頭調(diào)焦。

那么什么是伺服電機(jī)？常用伺服電機(jī)有哪些種類？

伺服電機(jī)

其實(shí)伺服電機(jī)是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電機(jī)，只要它處于閉環(huán)系統(tǒng)就可以稱為伺服電機(jī)。

所以“伺服”其實(shí)和電機(jī)的結(jié)構(gòu)和種類沒有關(guān)系。

它可以是我們之前說的任何電機(jī)。

比如直線電機(jī)，同步電機(jī)，異步電機(jī)，直流電機(jī)，音圈電機(jī)，壓電電機(jī)，磁滯電機(jī)，甚至步進(jìn)電機(jī)等都可以。

步進(jìn)電機(jī)也可以是伺服電機(jī)，來自Applied Motion Products。

這里的重點(diǎn)在于閉環(huán)。

什么是閉環(huán)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）？

閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)示意圖，閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋裝置，用來反饋電機(jī)的位置，而開環(huán)沒有。

閉環(huán)系統(tǒng)示意圖：兩圖中電機(jī)都是閉環(huán)系統(tǒng)，但是上圖負(fù)載是開環(huán)系統(tǒng)，下圖負(fù)載是閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)橄聢D有編碼器和玻璃尺作為負(fù)載位置反饋。

簡化的控制系統(tǒng)示意圖，閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋，而開環(huán)沒有。

簡言之，閉環(huán)系統(tǒng)是一種通過使用反饋裝置，將系統(tǒng)的實(shí)際性能與其指令性能進(jìn)行比較，來校正系統(tǒng)誤差（位置、速度或扭矩）的系統(tǒng)。

所以，是否是閉環(huán)，重點(diǎn)看系統(tǒng)有沒有反饋信號，并利用反饋信息調(diào)整輸入量以控制輸出量，使其接近目標(biāo)值。

這就像開車，我們有一個(gè)目的地和最高限速。我們可以通過控制油門或者電門來控制速度，使其在不超過最高限速的同時(shí)，最快地到達(dá)目的地。

開車通過油門控制速度示意圖。

在此過程中，我們知道離目標(biāo)還有多遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)速度是多少。在沒有達(dá)到目的地之前，我們都希望全速前進(jìn)，但是如果速度超過了最高限制，我們又稍稍釋放油門或者電門，來降低速度。

明顯地，這里的速度控制就是一個(gè)閉環(huán)控制。

伺服系統(tǒng)

一個(gè)典型的伺服系統(tǒng)，包含電機(jī)，控制器，驅(qū)動(dòng)器，反饋裝置等設(shè)備。

典型伺服系統(tǒng)構(gòu)成：包括伺服控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器（放大器），電機(jī)，編碼器等。

伺服控制器，也稱為運(yùn)動(dòng)控制器，可以被認(rèn)為是伺服系統(tǒng)的大腦。運(yùn)動(dòng)曲線，例如加速度、速度等都由這里產(chǎn)生?？刂破飨蝌?qū)動(dòng)器發(fā)送信號，驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)執(zhí)行所需的運(yùn)動(dòng)。

控制器還擔(dān)任閉合系統(tǒng)回路的重要任務(wù)，通過不斷讀取編碼器的反饋，并通過驅(qū)動(dòng)器修改傳遞到電機(jī)的信號，來糾正實(shí)際值和想要值之間的誤差，這些誤差包括位置，速度和扭矩等誤差。

伺服驅(qū)動(dòng)器放大來自主控制器的信號，為電機(jī)提供足夠的電流以產(chǎn)生速度和扭矩。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，電流與扭矩成正比，因此伺服驅(qū)動(dòng)器直接控制電機(jī)產(chǎn)生的扭矩。同樣，在線性電機(jī)中，電流與力成正比，因此驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)產(chǎn)生的力。

反饋通常由編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器（可以看著是一種傳感器）提供。在需要非常精確定位的應(yīng)用中，可以使用兩個(gè)反饋設(shè)備，一個(gè)在電機(jī)上以驗(yàn)證電機(jī)的性能，另一個(gè)在負(fù)載上以驗(yàn)證負(fù)載的實(shí)際位置。

雙環(huán)控制常用于線性軸的精確定位，電機(jī)上有旋轉(zhuǎn)編碼器，線性軸上有線性編碼器，來自ABB。

上面談到，在伺服電機(jī)中，需要控制的量包括位置，速度和扭矩或力。

這些量可以通過編碼器或者光柵尺，霍爾傳感器，LVDT等傳感器來提供（其中扭矩需要電流傳感器檢測），然后由控制器運(yùn)算并給出控制命令，傳達(dá)到驅(qū)動(dòng)器，再由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其按照設(shè)定的位移或者速度或者扭矩運(yùn)行。

一個(gè)音圈伺服電機(jī)剖視圖及其控制回路示意圖，剖視圖中線性編碼器（Linear Scale）擔(dān)任反饋裝置。

伺服回路：電流與旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的扭矩，或線性電機(jī)中的力成正比。電流傳感器提供流過電機(jī)的電流信號，并將信號發(fā)送回控制器，控制器從命令信號中減去該信號并作用于電機(jī)。當(dāng)伺服電機(jī)處于指令電流時(shí)，循環(huán)被滿足，直到電流下降到指令電流以下，循環(huán)將增加電流直到達(dá)到命令電流，整個(gè)循環(huán)過程速度極快，通常在亞秒級更新。速度環(huán)以相同的方式工作，直流電機(jī)電壓與速度成正比。當(dāng)速度低于指令速度時(shí)，速度環(huán)向電流環(huán)發(fā)送命令以增加電流，從而增加電壓。交流電機(jī)可以通過編碼器和其他傳感器反饋速度和位置，并通過速度環(huán)和位置環(huán)改變電流，實(shí)現(xiàn)控制。三個(gè)回路以優(yōu)化的方式同步工作，以提供對伺服機(jī)構(gòu)的平滑和精確控制。

閉環(huán)控制示意圖：電流環(huán)嵌套在速度環(huán)中，而速度環(huán)又嵌套在位置環(huán)中。

所以，一部電機(jī)是否可以看著伺服電機(jī)，最關(guān)鍵的是看它是否用于閉環(huán)系統(tǒng)。

反饋裝置可以集成在電機(jī)中，也可以和電機(jī)分離單獨(dú)裝配在系統(tǒng)中。

其實(shí)，對伺服電機(jī)的探索起源于1950年，那時(shí)美國致力于工廠自動(dòng)化的升級。

早期的自動(dòng)化機(jī)械和工業(yè)機(jī)器人使用液壓或氣動(dòng)來控制執(zhí)行器，但它們在準(zhǔn)確性，可靠性，管道漏油漏氣等方面存在問題。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，直流伺服電機(jī)在 50 年代和 60 年代得到增長，并且開始安裝在工業(yè)機(jī)器人中，以取代麻煩的液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)。

與此同時(shí)，交流伺服電機(jī)出現(xiàn)在 80 年代，它們的好處包括使機(jī)器人更小更輕，扭矩脈動(dòng)更小，因此，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械中使用的大部分伺服電機(jī)是交流伺服電機(jī)。

伺服電機(jī)的種類

根據(jù)電機(jī)的不同分類方法，伺服電機(jī)也有不同的類型。

伺服電機(jī)的分類

1.直流伺服VS交流伺服電機(jī)

根據(jù)使用交流電還是直流電驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)可以分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。

從性能的角度來看，交流和直流電機(jī)之間的主要區(qū)別在于速度控制。

對于直流電機(jī)，速度與恒定負(fù)載的電源電壓成正比，而在交流電機(jī)中，速度由施加電壓的頻率和磁極數(shù)決定。

交流伺服電機(jī)示意圖，含有旋轉(zhuǎn)編碼器。

直流伺服電機(jī)工作原理示意圖，位置傳感器返回位置信息到控制器。

交流伺服電機(jī)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)），同步電機(jī)包含永磁體，為了增加電機(jī)輸出扭矩或者力，永磁體的使用量增加，因此成本更高，它們被廣泛用于低功率應(yīng)用（一般不超過10kW）。

然而，隨著近年來高性能永磁體的出現(xiàn)，同步交流伺服電機(jī)現(xiàn)已成為默認(rèn)選項(xiàng)，實(shí)際上，一些最常見的高性能工業(yè)伺服電機(jī)是三相同步無刷交流電機(jī)。

異步電機(jī)不使用永磁體，往往用于更高輸出的應(yīng)用，比如10kW 或更高。

雖然交流和直流電機(jī)都用于伺服系統(tǒng)，但交流電機(jī)能承受更高的電流。

同時(shí)，在無刷直流電機(jī)（BLDC ）電機(jī)中，定子線圈呈梯形纏繞并產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢波形，這往往會(huì)產(chǎn)生可聽噪聲，換向分六步實(shí)現(xiàn)，這會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

另一方面，同步交流電機(jī)具有正弦繞組定子并使用連續(xù)的正弦換向，從而消除了 BLDC 電機(jī)所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

這使得同步交流電機(jī)成為高性能工業(yè)伺服應(yīng)用的首選。

例如機(jī)器人，在線制造和其他需要高重復(fù)性和高精度的工業(yè)應(yīng)用。

2.有刷伺服電機(jī)VS無刷伺服電機(jī)

而根據(jù)電機(jī)使用換向器的類型，伺服電機(jī)又可以分為有刷伺服電機(jī)和無刷伺服電機(jī)。

有刷電機(jī)通常更便宜，操作更簡單，而無刷設(shè)計(jì)更可靠，效率更高，噪音更小。

有刷直流電機(jī)根據(jù)定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分：串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)合或永磁。

雖然伺服系統(tǒng)中使用的大多數(shù)電機(jī)都是無刷設(shè)計(jì)，但有時(shí)采用有刷永磁直流電機(jī)作為伺服電機(jī)，因?yàn)樗鼈兒唵吻页杀镜汀?/span>

伺服應(yīng)用中最常見的有刷直流電機(jī)類型是永磁直流（PMDC）電機(jī)。

無刷直流（BLDC）電機(jī)也用于伺服系統(tǒng)。

無刷直流電機(jī)用電子方式代替物理電刷和換向器，通常使用霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器。

無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制信號示意圖。

換向器是一種旋轉(zhuǎn)式電氣開關(guān)，它周期性地反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流方向，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

它由一個(gè)圓柱體組成，該圓柱體由轉(zhuǎn)子上的多個(gè)金屬接觸段組成，與電刷之間溝通電流。電刷由柔軟的導(dǎo)電材料（例如碳）制成，通常有兩個(gè)或多個(gè)電觸點(diǎn)，在換向器旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器滑動(dòng)接觸，實(shí)現(xiàn)電流方向的改變和電流導(dǎo)通。

有刷直流電機(jī)及換向器（Commutator）結(jié)構(gòu)。

有刷直流電機(jī)及換向器結(jié)構(gòu)。

有刷直流電機(jī)示意圖。

交流電機(jī)通常是無刷的，盡管有些設(shè)計(jì)（例如可以使用交流或直流電源運(yùn)行的通用電機(jī)）確實(shí)有電刷并通過機(jī)械換向。

無刷交流（BLAC）電機(jī)這一術(shù)語可能有點(diǎn)混亂，因?yàn)樗鼈円脖环Q為永磁交流（PMAC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）。

3.同步伺服電機(jī)VS異步伺服電機(jī)

最后，根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子是否同步，又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。

雖然直流電機(jī)通常被歸類為有刷或無刷電機(jī)，但交流電機(jī)更頻繁地根據(jù)其旋轉(zhuǎn)磁場的速度進(jìn)行區(qū)分，即同步或異步。

在交流電機(jī)中，速度由電源電壓的頻率和磁極數(shù)決定，該速度稱為同步速度。

在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子以與定子旋轉(zhuǎn)磁場相同的速度旋轉(zhuǎn)。

在異步電機(jī)（通常稱為感應(yīng)電機(jī)）中，轉(zhuǎn)子以比定子旋轉(zhuǎn)磁場慢的速度旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)感應(yīng)電機(jī)與變頻驅(qū)動(dòng)器配對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)類似于伺服電機(jī)的速度控制和性能，但因?yàn)樗鼈兺ǔ２话答仯圆皇钦嬲乃欧O(shè)備。