01伺服電機的概述

       伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可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。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

       02伺服電機的工作原理

       1、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，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以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，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

       2、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，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。

       3、伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的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反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，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)）。交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。

       03交流伺服電機和直流伺服電動機的區(qū)別

       直流伺服電機的結(jié)構(gòu)和普通直流電機差不多，只是直流電機為滿足低慣量采用細長電樞，盤形或空心杯的。交流伺服電機有兩相交流繞組，空間相差90點角度，其中一組為勵磁繞組，另一組為控制繞組。其控制方式有幅值控制，相位控制，幅值相位復(fù)合控制。大多采用復(fù)合控制。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子電阻一般很大，這樣可以防止自轉(zhuǎn)，當控制電壓消失后，由于有勵磁電壓，此時的交流伺服電機中會有脈振磁動勢，由于電阻大，T-S曲線發(fā)生偏移，反轉(zhuǎn)的磁場產(chǎn)生的T要變大，所以此時合成的T為制動性質(zhì)的，，會停轉(zhuǎn)。

       交流伺服電機比直流伺服電機性能好一些

       從定義上講，交流伺服電機是，交流電機的一種，通過伺服驅(qū)動器的矢量控制理論控制電機的扭矩，速度，位置等等，把交流電通過等換計算的方式去控制電機，所以制造技術(shù)和伺服驅(qū)動器的軟件方面比較難開發(fā)，國內(nèi)廠家目前都在仿造日系或者歐美產(chǎn)品。

       直流伺服電機，就是把直流電機加上編碼器 形成閉環(huán)控制，電機的控制方法基本就是改變電流的大小來改變電機的 扭矩，速度等參數(shù)。我國最早的伺服系統(tǒng)就是直流伺服系統(tǒng)，軍工方面用的比較多，發(fā)展歷史時間長。我國最早的衛(wèi)星東方紅，控制方向的就用的直流伺服電機。

       推薦使用交流伺服電機，直流伺服電機太熱，控制精度不好。使用壽命短。

       04伺服電動機與單相異步電動機比較

       交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：

       1、啟動轉(zhuǎn)矩大

       由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0>1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。

       2、運行范圍較廣

       3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

       正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）。交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

       交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

       05伺服電機的調(diào)試方法

       1、初始化參數(shù)

       在接線之前，先初始化參數(shù)。

       在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時默認使能信號關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確保控制卡再次上電時即為此狀態(tài)。

       在伺服電機上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)9V的控制電壓。比如，山洋是設(shè)置1V電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準備讓電機在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個參數(shù)設(shè)置為111。

       2、接線

       將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復(fù)查接線沒有錯誤后，電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應(yīng)該不動，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動，如果不是這樣，檢查使能信號的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線和設(shè)置

       3、試方向

       對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應(yīng)該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù)，看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認給出正數(shù)，電機正轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)增加；給出負數(shù)，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數(shù)，使其一致。

       4、抑制零漂

       在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細調(diào)整，使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。

       5、建立閉環(huán)控制

       再次通過控制卡將伺服使能信號放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時，電機應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。

       6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)

       細調(diào)控制參數(shù)，確保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。

       06伺服電機與步進電機的性能比較

       步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

       一、控制精度不同

       兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產(chǎn)的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

       交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2000線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

       二、低頻特性不同

       步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。
交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

       三、矩頻特性不同

       步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

       四、過載能力不同

       步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

       五、運行性能不同

       步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

       六、速度響應(yīng)性能不同

       步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

       綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。

       07伺服電機的制動方式的理解

       用戶往往對電磁制動，再生制動，動態(tài)制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。

       動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。

       再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。

       電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。

       三者的區(qū)別：

       (1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態(tài)制動器和電磁制動工作時不需電源。

       (2)再生制動的工作是系統(tǒng)自動進行，而動態(tài)制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。

       (3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動，否則可能造成放大器過載，動態(tài)制動器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態(tài)制動電阻過熱。

       08伺服電機的注意事項

       一、伺服電機油和水的保護

       A：伺服電機可以用在會受水或油滴侵襲的場所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服電機不應(yīng)當放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。

       B：如果伺服電機連接到一個減速齒輪，使用伺服電機時應(yīng)當加油封，以防止減速齒輪的油進入伺服電機

       C：伺服電機的電纜不要浸沒在油或水中。

       二、伺服電機電纜→減輕應(yīng)力

       A：確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負荷，尤其是在電纜出口處或連接處。

       B：在伺服電機移動的情況下，應(yīng)把電纜（就是隨電機配置的那根）牢固地固定到一個靜止的部分（相對電機），并且應(yīng)當用一個裝在電纜支座里的附加電纜來延長它，這樣彎曲應(yīng)力可以減到最小。

       C：電纜的彎頭半徑做到盡可能大。

       三、伺服電機允許的軸端負載

       A：確保在安裝和運轉(zhuǎn)時加到伺服電機軸上的徑向和軸向負載控制在每種型號的規(guī)定值以內(nèi)。

       B：在安裝一個剛性聯(lián)軸器時要格外小心，特別是過度的彎曲負載可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損

       C：最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負載低于允許值，此物是專為高機械強度的伺服電機設(shè)計的。

       D：關(guān)于允許軸負載，請參閱“允許的軸負荷表”（使用說明書）。

       四、伺服電機安裝注意

       A：在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機軸端時，不要用錘子直接敲打軸端。（錘子直接敲打軸端，伺服電機軸另一端的編碼器要被敲壞）

       B：竭力使軸端對齊到最佳狀態(tài)（對不好可能導(dǎo)致振動或軸承損壞）。