工控机控制伺服电机（工控机控制伺服驱动器）

工控成长之路——伺服电机

什么是伺服电机？

伺服电机是指伺服系统中控制机械部件运行的发动机。它是辅助电动机的间接传动装置。

伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，并且可以将电压信号转换为扭矩和转速来驱动控制对象。伺服电机的转子转速由输入信号控制，能够快速响应。在自动控制系统中用作执行机构，具有机电时间常数小、线性度高的特点。它可以将接收到的电信号转换成电机轴。角位移或角速度输出。它们分为两类：直流和交流伺服电机。它们的主要特点是信号电压为零时不旋转，随着扭矩的增大，转速匀速减小。

伺服电机内部的转子是永磁体。驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场。转子在该磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器向驱动器反馈信号。驱动器根据反馈值与目标进行通信。比较数值并调整转子旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度（线数）。

伺服电机主要依靠脉冲进行定位。基本上可以这么理解。当伺服电机接收到脉冲时，会旋转与脉冲对应的角度，从而实现位移。由于伺服电机本身具有发送脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，就会发出相应数量的脉冲。这样就会回显伺服电机接收到的脉冲，或者称为闭环。这样，系统就会知道有多少个脉冲发送到伺服电机，同时接收到多少个脉冲。这样就可以非常精确地控制电机的转动，从而实现精确定位，可以达到0.001mm。

特征

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的定子结构基本相似。定子装有两个位置互差90 的绕组。一是励磁绕组Rf，始终接交流电压Uf；另一个是控制绕组L，其连接到控制信号电压Uc。因此，交流伺服电机又称为二次伺服电机。

交流伺服电机的转子通常采用鼠笼式。然而，为了使伺服电机具有较宽的调速范围、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，应具有转子具有电阻大和转动惯量小两个特点。广泛应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鼠笼式转子。为了减小转子的转动惯量，将转子做得细长；另一种是鼠笼式转子，采用高电阻率导电材料。第一个是铝合金制成的空心杯形转子。杯壁很薄，只有0.2-0.3mm。为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内部放置固定的内定子。空心杯转子转动惯量小、响应快、运行平稳，因而得到广泛应用。

当交流伺服电机中没有控制电压时，定子中只有励磁绕组产生脉动磁场，转子保持静止。当有控制电压时，定子中产生旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。当负载一定时，电机的转速随控制电压的变化而变化。当控制电压的相位相反时，伺服电机将反转。

永磁交流伺服电机

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术取得了突出的进步。各国著名电气制造商相继推出了各自的交流伺服电机和伺服驱动器系列。产品不断改进和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原有的直流伺服系统面临被淘汰的危险。 20世纪90年代以后，世界各国已经商品化的交流伺服系统均采用全数字控制的正弦波电机伺服驱动器。交流伺服驱动器在传动领域的发展日新月异。

与直流伺服电机相比，永磁交流伺服电机的主要优点是：

无电刷、换向器，工作可靠，维护保养要求低。

定子绕组更方便散热。

惯量小，易于提高系统速度。

适应高速、大扭矩工况。

同等功率下体积和重量更小。

伺服电机与单相异步电机的比较

虽然交流伺服电机的工作原理与分相单相异步电机相似，但前者的转子电阻比后者大得多。因此，与单机异步电机相比，伺服电机具有三个显着特点：

1、启动扭矩大

由于转子电阻较大，与普通异步电机的转矩特性曲线相比有明显差异。可以使临界滑差比S0》1，不仅使扭矩特性（机械特性）更接近线性，而且具有较大的启动扭矩。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、无旋转现象

对于正常运行的伺服电机，一旦失去控制电压，电机将立即停止运行。当伺服电机失去控制电压时，处于单相运行状态。由于转子电阻较大，定子和转子中两个方向相反旋转的旋转磁场产生的两种转矩特性（T1-S1、T2-S2曲线）和合成转矩特性（T-S曲线）

交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W。电源频率为50Hz时，电压为36V、110V、220、380V；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、噪音小。但控制特性是非线性的，且由于转子电阻大、损耗大、效率低，比同容量的直流伺服电机体积大、重量重，因此只适用于小功率0.5-100W的控制系统。

伺服电机与步进电机的性能比较

步进电机作为一种开环控制系统，本质上与现代数字控制技术有关。在国内数字控制系统中，步进电机被广泛使用。随着全数字化交流伺服系统的出现，交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，大多数运动控制系统都采用步进电机或全数字交流伺服电机作为执行电机。虽然两者在控制方式（脉冲串和方向信号）上相似，但在性能和应用场景上却存在较大差异。现在我们来比较一下两者的性能。

1、控制精度不同

两相混合式步进电机的步距角一般为1.8、0.9，五相混合式步进电机的步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能步进电机通过细分，步距角更小。例如，SANYO DENKI生产的两相混合式步进电机的步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036。兼容两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字交流伺服电机为例，对于标准2000线编码器的电机，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/8000=0.045。对于17位编码器的电机，驱动器每接收到131072个脉冲，电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.0027466，这是步进电机的脉冲当量步距角1.8。 1/655。

2、低频特性不同

步进电机在低速时容易产生低频振动。振动频率与负载状况和驱动器性能有关。一般认为，振动频率是电机空载拾取频率的一半。这种由步进电机工作原理决定的低频振动现象，对机器的正常工作十分不利。步进电机低速运行时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，如在电机上加阻尼器，或者在驱动器上采用细分技术。

交流伺服电机运行非常平稳，即使低速也不会振动。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以弥补机械刚性的不足。系统内部还具有频率分析功能（FFT），可以检测机器的共振点，以方便系统调整。

3、不同的力矩频率特性

步进电机的输出扭矩随着转速的升高而减小，在较高转速时急剧下降，因此其最高运行转速一般在300600RPM之间。交流伺服电机具有恒扭矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）内可输出额定扭矩，在额定转速以上具有恒功率输出。

4、过载能力不同

步进电机一般不具备过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，具有速度过载和扭矩过载能力。其最大扭矩为额定扭矩的23倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。由于步进电机不具备这种过载能力，因此在选型时为了克服这种惯性矩，往往需要选择扭矩较大的电机。但机器正常工作时不需要这么大的扭矩，所以出现扭矩。浪费现象。

5、运行性能不同

步进电机的控制是开环控制。如果启动频率太高或负载太大，很容易丢步或失速。当速度停止时，速度太高，容易出现超调。因此，为了保证其控制精度，应妥善处理。加速和减速问题。交流伺服驱动系统是闭环控制。驱动器可以直接采样电机编码器反馈信号，内部构成位置环和速度环。一般情况下，步进电机不会出现丢步或超调的情况，控制性能也比较可靠。

6.不同的速度响应性能

步进电机从静止加速到运行速度（一般为每分钟几百转）需要200到400毫秒。交流伺服系统具有良好的加速性能。以三洋400W交流伺服电机为例。从静止加速到3000RPM 的额定速度仅需几毫秒。可用于需要快速启动和停止的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合，常采用步进电机作为执行电机。因此，在控制系统的设计过程中，必须综合考虑控制要求、成本等多种因素，选择合适的控制电机。

简要行业分析

凡是对位置、速度、扭矩等控制精度有要求的地方，都可以使用交流伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机械、自动化生产线等。由于伺服多用于定位和速度控制场合，所以伺服也称为运动控制。

1、冶金、钢铁-连铸落料生产线、铜杆上连铸机、喷印打标设备、冷轧机、定尺剪切、自动上料、转炉倾动。

2、电力、电缆——涡轮调速器、风力发电机变桨系统、拉丝机、双绞线、高速编织机、绕线机、印刷打标设备等。

3、石油、化工——挤出机、薄膜传输带、大型空压机、抽油机等。

4、化纤纺织——纺纱机、精纺纺纱机、织机、梳理机、横边机等。

5、汽车制造行业——发动机零部件生产线、发动机总装生产线、整车装配线、车身焊接线、检测设备等。

6、机床制造行业——车床、刨床、铣床、磨床、加工中心、齿轮加工机等。

7、铸造制造业——机器人、转炉倾动、模具加工中心等。

8、橡塑制造行业——塑料压延机、塑料薄膜袋封切机、注塑机、挤出机、成型机、塑料涂层贴合机、拉丝机等。

9、电子制造业——印刷电路板（PCB）设备、半导体器件设备（光刻机、晶圆加工机等）、液晶显示（LCD）设备、机器组装和表面贴装（SMT）设备、激光设备（切割机、雕刻机等）、通用数控设备、机器人等。

10、造纸工业——纸张输送设备、造纸专用机械等。

11、食品制造业——原料加工设备、灌装机械、封口机、其他食品包装印刷设备等。

12、制药行业——原料加工机械、制剂机械、切片机械、印刷包装机械等。

13、交通运输——地铁屏蔽门、电力机车、船舶导航等。

14、物流装卸、运输——自动化仓库、卡车、立体车库、传动带、机器人、起重设备、运输设备等。

15.建筑——电梯、传送带、自动旋转门、自动开窗等。

16、医疗——CT、X光机、MRI等。

17、测试设备——汽车测试设备、扭矩测试设备等。

审稿人：李茜