在工业应用中，最常见的电机就是伺服电机。

常用它来驱动运动轴，实现高精度定位。

比如，常见的物料取放运动平台，传送带，机器人机械手，镜头调焦等。

 

伺服电机用于物料的取放。

 

伺服电机用于物料的取放，带光学识别。

 

伺服电机用于点胶，带光学识别定位。

 

伺服电机用于包装。

 

伺服电机用于酒瓶传送带。

 

伺服电机用于机器人。

 

伺服电机用于机器人。

 

伺服电机用于XY运动平台，来自HIWIN。

 

伺服电机用于单轴运动平台。

 

伺服电机用于镜头调焦。

那么什么是伺服电机？常用伺服电机有哪些种类？

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伺服电机

其实伺服电机是闭环控制系统中的电机，只要它处于闭环系统就可以称为伺服电机。

所以“伺服”其实和电机的结构和种类没有关系。

它可以是我们之前说的任何电机。

比如直线电机，同步电机，异步电机，直流电机，音圈电机，压电电机，磁滞电机，甚至步进电机等都可以。

 

步进电机也可以是伺服电机，来自Applied Motion Products。

这里的重点在于闭环。

什么是闭环系统（伺服系统）？

 

闭环系统和开环系统示意图，闭环控制系统有反馈装置，用来反馈电机的位置，而开环没有。

 

闭环系统示意图：两图中电机都是闭环系统，但是上图负载是开环系统，下图负载是闭环系统，因为下图有编码器和玻璃尺作为负载位置反馈。

 

简化的控制系统示意图，闭环控制系统有反馈，而开环没有。

简言之，闭环系统是一种通过使用反馈装置，将系统的实际性能与其指令性能进行比较，来校正系统误差（位置、速度或扭矩）的系统。

所以，是否是闭环，重点看系统有没有反馈信号，并利用反馈信息调整输入量以控制输出量，使其接近目标值。

这就像开车，我们有一个目的地和最高限速。我们可以通过控制油门或者电门来控制速度，使其在不超过最高限速的同时，最快地到达目的地。

 

开车通过油门控制速度示意图。

在此过程中，我们知道离目标还有多远，实时速度是多少。在没有达到目的地之前，我们都希望全速前进，但是如果速度超过了最高限制，我们又稍稍释放油门或者电门，来降低速度。

明显地，这里的速度控制就是一个闭环控制。

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伺服系统

一个典型的伺服系统，包含电机，控制器，驱动器，反馈装置等设备。

 

典型伺服系统构成：包括伺服控制器，伺服驱动器（放大器），电机，编码器等。

伺服控制器，也称为运动控制器，可以被认为是伺服系统的大脑。运动曲线，例如加速度、速度等都由这里产生。控制器向驱动器发送信号，驱动器使电机执行所需的运动。

控制器还担任闭合系统回路的重要任务，通过不断读取编码器的反馈，并通过驱动器修改传递到电机的信号，来纠正实际值和想要值之间的误差，这些误差包括位置，速度和扭矩等误差。

伺服驱动器放大来自主控制器的信号，为电机提供足够的电流以产生速度和扭矩。在旋转电机中，电流与扭矩成正比，因此伺服驱动器直接控制电机产生的扭矩。同样，在线性电机中，电流与力成正比，因此驱动器控制电机产生的力。

反馈通常由编码器或旋转变压器（可以看着是一种传感器）提供。在需要非常精确定位的应用中，可以使用两个反馈设备，一个在电机上以验证电机的性能，另一个在负载上以验证负载的实际位置。

 

双环控制常用于线性轴的精确定位，电机上有旋转编码器，线性轴上有线性编码器，来自ABB。

上面谈到，在伺服电机中，需要控制的量包括位置，速度和扭矩或力。

这些量可以通过编码器或者光栅尺，霍尔传感器，LVDT等传感器来提供（其中扭矩需要电流传感器检测），然后由控制器运算并给出控制命令，传达到驱动器，再由驱动器驱动电机，使其按照设定的位移或者速度或者扭矩运行。

 

一个音圈伺服电机剖视图及其控制回路示意图，剖视图中线性编码器（Linear Scale）担任反馈装置。

 

伺服回路：电流与旋转电机中的扭矩，或线性电机中的力成正比。电流传感器提供流过电机的电流信号，并将信号发送回控制器，控制器从命令信号中减去该信号并作用于电机。当伺服电机处于指令电流时，循环被满足，直到电流下降到指令电流以下，循环将增加电流直到达到命令电流，整个循环过程速度极快，通常在亚秒级更新。速度环以相同的方式工作，直流电机电压与速度成正比。当速度低于指令速度时，速度环向电流环发送命令以增加电流，从而增加电压。交流电机可以通过编码器和其他传感器反馈速度和位置，并通过速度环和位置环改变电流，实现控制。三个回路以优化的方式同步工作，以提供对伺服机构的平滑和精确控制。

 

闭环控制示意图：电流环嵌套在速度环中，而速度环又嵌套在位置环中。

所以，一部电机是否可以看着伺服电机，最关键的是看它是否用于闭环系统。

反馈装置可以集成在电机中，也可以和电机分离单独装配在系统中。

其实，对伺服电机的探索起源于1950年，那时美国致力于工厂自动化的升级。

早期的自动化机械和工业机器人使用液压或气动来控制执行器，但它们在准确性，可靠性，管道漏油漏气等方面存在问题。

随着技术的进步，直流伺服电机在 50 年代和 60 年代得到增长，并且开始安装在工业机器人中，以取代麻烦的液压和气动机构。

与此同时，交流伺服电机出现在 80 年代，它们的好处包括使机器人更小更轻，扭矩脉动更小，因此，现代工业机械中使用的大部分伺服电机是交流伺服电机。

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伺服电机的种类

根据电机的不同分类方法，伺服电机也有不同的类型。

 

伺服电机的分类

1.直流伺服VS交流伺服电机

根据使用交流电还是直流电驱动，伺服电机可以分为交流伺服电机和直流伺服电机。

从性能的角度来看，交流和直流电机之间的主要区别在于速度控制。

对于直流电机，速度与恒定负载的电源电压成正比，而在交流电机中，速度由施加电压的频率和磁极数决定。

 

交流伺服电机示意图，含有旋转编码器。

 

直流伺服电机工作原理示意图，位置传感器返回位置信息到控制器。

交流伺服电机分为同步电机和异步电机（感应电机），同步电机包含永磁体，为了增加电机输出扭矩或者力，永磁体的使用量增加，因此成本更高，它们被广泛用于低功率应用（一般不超过10kW）。

然而，随着近年来高性能永磁体的出现，同步交流伺服电机现已成为默认选项，实际上，一些最常见的高性能工业伺服电机是三相同步无刷交流电机。

异步电机不使用永磁体，往往用于更高输出的应用，比如10kW 或更高。

虽然交流和直流电机都用于伺服系统，但交流电机能承受更高的电流。

同时，在无刷直流电机（BLDC ）电机中，定子线圈呈梯形缠绕并产生梯形反电动势波形，这往往会产生可听噪声，换向分六步实现，这会产生转矩脉动。

另一方面，同步交流电机具有正弦绕组定子并使用连续的正弦换向，从而消除了 BLDC 电机所经历的转矩脉动。

这使得同步交流电机成为高性能工业伺服应用的首选。

例如机器人，在线制造和其他需要高重复性和高精度的工业应用。

2.有刷伺服电机VS无刷伺服电机

而根据电机使用换向器的类型，伺服电机又可以分为有刷伺服电机和无刷伺服电机。

有刷电机通常更便宜，操作更简单，而无刷设计更可靠，效率更高，噪音更小。

有刷直流电机根据定子的结构进一步细分：串联、并联、复合或永磁。

虽然伺服系统中使用的大多数电机都是无刷设计，但有时采用有刷永磁直流电机作为伺服电机，因为它们简单且成本低。

伺服应用中最常见的有刷直流电机类型是永磁直流（PMDC）电机。

无刷直流（BLDC）电机也用于伺服系统。

无刷直流电机用电子方式代替物理电刷和换向器，通常使用霍尔效应传感器或编码器。

 

无刷直流电机结构及控制信号示意图。

换向器是一种旋转式电气开关，它周期性地反转转子电流方向，以实现连续运转。

它由一个圆柱体组成，该圆柱体由转子上的多个金属接触段组成，与电刷之间沟通电流。电刷由柔软的导电材料（例如碳）制成，通常有两个或多个电触点，在换向器旋转时与换向器滑动接触，实现电流方向的改变和电流导通。

 

有刷直流电机及换向器（Commutator）结构。

 

有刷直流电机及换向器结构。

 

有刷直流电机示意图。

交流电机通常是无刷的，尽管有些设计（例如可以使用交流或直流电源运行的通用电机）确实有电刷并通过机械换向。

无刷交流（BLAC）电机这一术语可能有点混乱，因为它们也被称为永磁交流（PMAC）电机或永磁同步电机（PMSM）。

3.同步伺服电机VS异步伺服电机

最后，根据电机的旋转磁场和转子是否同步，又分为同步电机和异步电机。

虽然直流电机通常被归类为有刷或无刷电机，但交流电机更频繁地根据其旋转磁场的速度进行区分，即同步或异步。

在交流电机中，速度由电源电压的频率和磁极数决定，该速度称为同步速度。

在同步电机中，转子以与定子旋转磁场相同的速度旋转。

在异步电机（通常称为感应电机）中，转子以比定子旋转磁场慢的速度旋转。

当感应电机与变频驱动器配对时，可以实现类似于伺服电机的速度控制和性能，但因为它们通常不包含反馈，所以不是真正的伺服设备。

 

几种伺服电机的对比，来自MECAPOON。

 

伺服电机应用，来自MECAPOON。

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伺服电机的特性

伺服电机能够在很宽的速度范围内运行，包括高速和低速而不会过热，并在零速时保持足够的扭矩以将负载固定到位。

尽管作用在系统上的扭矩量发生了变化，但它们也可以保持恒定的速度。

伺服电机也可以进行转矩控制，伺服系统通常由其速度转矩曲线定义，该曲线表示电机的峰值和连续转矩值。

 

典型伺服电机速度扭矩图。

峰值扭矩是电机在短时间内可以产生的最大扭矩，而连续扭矩可以无限期地产生。

如果伺服电机长时间以高于其连续额定扭矩的方式运行，则会产生过多的热量，这会损坏电机的电路。

在高于其峰值扭矩的情况下运行，伺服电机可能会使磁铁退磁。