伺服電機(jī)是工業(yè)應(yīng)用中較常見的電機(jī)。

   

常用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)高精度定位。

   

比如運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、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)用于機(jī)器人。

   

   

伺服電機(jī)XY來(lái)自體育平臺(tái)HIWIN。

   

   

伺服電機(jī)用于單軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

   

   

伺服電機(jī)用于鏡頭調(diào)焦。

   

什么是伺服電機(jī)？常用的伺服電機(jī)有哪些類型？

   

01

   

伺服電機(jī)

   

事實(shí)上，伺服電機(jī)是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電機(jī)，只要它在閉環(huán)系統(tǒng)中，就可以稱為伺服電機(jī)。因此，伺服與電機(jī)的結(jié)構(gòu)和類型無(wú)關(guān)。

   

它可以是我們之前說(shuō)的任何電機(jī)。

   

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)、壓電機(jī)、磁滯電機(jī)甚至步進(jìn)電機(jī)。

   

   

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

   

這里的重點(diǎn)是閉環(huán)。

   

什么是閉環(huán)系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))？

   

   

閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋裝置，用于反饋電機(jī)的位置，但沒(méi)有開環(huán)。

   

   

閉環(huán)系統(tǒng)示意圖璃尺作為負(fù)載位置反饋，電機(jī)為閉環(huán)系統(tǒng)，但負(fù)載為開環(huán)系統(tǒng)，負(fù)載為閉環(huán)系統(tǒng)。

   

   

閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋，但沒(méi)有開環(huán)。

   

簡(jiǎn)而言之，閉環(huán)系統(tǒng)是一種使用反饋裝置將系統(tǒng)的實(shí)際性能與位置、速度或扭矩相匹配的系統(tǒng)。

   

因此，閉環(huán)是否取決于系統(tǒng)是否有反饋信號(hào)，并利用反饋信息調(diào)整輸入來(lái)控制輸出，使其接近目標(biāo)值。

   

就像開車一樣，我們有一個(gè)目的地和較高限速。我們可以通過(guò)控制油門或電門來(lái)控制速度，以便在不超過(guò)較高限速的情況下盡快到達(dá)目的地。

   

   

通過(guò)油門控制速度示意圖駕駛。

   

在這個(gè)過(guò)程中，我們知道離目標(biāo)有多遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)速度有多快。我們都想在到達(dá)目的地之前全速前進(jìn)，但如果速度超過(guò)較大限度，我們會(huì)釋放油門或電門來(lái)降低速度。

   

顯然，這里的速度控制是閉環(huán)控制。

   

02

   

伺服系統(tǒng)

   

典型的伺服系統(tǒng)，包括電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、反饋裝置等設(shè)備。

   

   

由典型服裝控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器(放大器)、電機(jī)、編碼器等組成的典型伺服系統(tǒng)。

   

伺服控制器，又稱運(yùn)動(dòng)控制器，可視為伺服系統(tǒng)的大腦。這里產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)曲線，如加速度和速度?？刂破飨蝌?qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，使電機(jī)執(zhí)行所需的運(yùn)動(dòng)。

   

控制器還通過(guò)不斷讀取編碼器的反饋，修改傳輸?shù)诫姍C(jī)的信號(hào)，糾正實(shí)際值和預(yù)期值之間的誤差，包括位置、速度和扭矩。

   

伺服驅(qū)動(dòng)器放大獨(dú)立控制器的信號(hào)，為電機(jī)提供足夠的電流來(lái)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（看起來(lái)像傳感器）提供。在需要非常準(zhǔn)確定位的應(yīng)用程序中，可以使用兩個(gè)反饋設(shè)備來(lái)驗(yàn)證電機(jī)的性能和負(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。ABB。

   

在伺服電機(jī)中，需要控制的量包括位置、速度、扭矩或力。

   

霍爾傳感器可以通過(guò)編碼器或光柵尺，LVDT等待傳感器提供(其中扭矩需要電流傳感器檢測(cè))，然后由控制器操作并給出控制命令傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，然后由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其按設(shè)定的位移、速度或扭矩運(yùn)行。

   

   

音圈伺服電機(jī)剖視圖及其控制電路示意圖（Linear Scale）作為反饋裝置。

   

   

伺服電路：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(guò)電機(jī)的電流信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送回控制器?？刂破鲝拿钚盘?hào)中減去信號(hào)并作用于電機(jī)。伺服電機(jī)處于指令電流時(shí)，滿足循環(huán)，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。通常在亞秒級(jí)更新，整個(gè)循環(huán)過(guò)程非?？?。直流電機(jī)的電壓與速度成正比。當(dāng)速度低于指示速度時(shí)，速度循環(huán)向電流循環(huán)發(fā)送命令，以增加電流和電壓。交流電機(jī)可以通過(guò)編碼器和其他傳感器反饋速度和位置，并通過(guò)速度循環(huán)和位置循環(huán)改變電流來(lái)控制。三個(gè)電路同步優(yōu)化，為伺服機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。

   

   

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

   

因此，電機(jī)能否看伺服電機(jī)，較重要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，也可以單獨(dú)與電機(jī)組裝在系統(tǒng)中。

   

事實(shí)上，當(dāng)美國(guó)致力于工廠自動(dòng)化升級(jí)時(shí)，伺服電機(jī)的探索起源于1950年。

   

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(lái)控制執(zhí)行器，但它們?cè)跍?zhǔn)確性、可靠性、管道漏油等方面存在問(wèn)題。

   

直流伺服電機(jī)隨著技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展 50 和 60 為了取代麻煩的液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，增長(zhǎng)并開始安裝在工業(yè)機(jī)器人中。

   

同時(shí)，交流伺服電機(jī)也出現(xiàn)了 20世紀(jì)80年代，它的優(yōu)點(diǎn)是使機(jī)器人更小更輕，扭矩脈動(dòng)更小。因此，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械中使用的伺服電機(jī)大多是交流伺服電機(jī)。

   

03

   

伺服電機(jī)的類型

   

   

伺服電機(jī)的分類

   

伺服電機(jī)根據(jù)電機(jī)的不同分類方法也有不同的類型。

   

01

   

直流伺服VS交流伺服電機(jī)

   

伺服電機(jī)可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。

   

交流與直流電機(jī)的主要區(qū)別在于速度控制。

   

對(duì)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)示意圖包括旋轉(zhuǎn)編碼器。

   

   

位置傳感器將位置信息返回到控制器。

   

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)的輸出扭矩或力，增加了永磁體的使用，因此成本。廣泛應(yīng)用于低功率應(yīng)用（一般不超過(guò)10）kW）。

   

然而，隨著近年來(lái)高性能永磁體的出現(xiàn)，同步交流伺服電機(jī)已成為默認(rèn)選擇。事實(shí)上，一些較常見的高性能工業(yè)伺服電機(jī)是三相同步無(wú)刷交流電機(jī)。

   

不使用永磁體的異步電機(jī)通常用于更高輸出的應(yīng)用，如10kW 或更高。

   

交流電機(jī)雖然用于伺服系統(tǒng)，但能承受較高的電流。

   

同時(shí)，無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC )在電機(jī)中，定子線圈呈梯形纏繞，產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，常產(chǎn)生聽力噪聲，分六步換向，產(chǎn)生扭矩脈動(dòng)。

   

另一方面，同步交流電機(jī)具有正弦繞組定子，采用連續(xù)正弦換向消除 BLDC 電機(jī)經(jīng)歷的扭矩脈動(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、在線制造等需要高重復(fù)性和高精度的工業(yè)應(yīng)用。

   

02

   

有刷伺服電機(jī)VS無(wú)刷伺服電機(jī)

   

伺服電機(jī)可分為刷伺服電機(jī)和無(wú)刷伺服電機(jī)。

   

刷電機(jī)通常更便宜，操作更簡(jiǎn)單，無(wú)刷設(shè)計(jì)更可靠，效率更高，噪音更小。

   

根據(jù)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分定子機(jī)：串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)合或永磁。

   

雖然伺服系統(tǒng)中使用的電機(jī)大多是無(wú)刷設(shè)計(jì)的，但由于其簡(jiǎn)單、成本低，有時(shí)使用帶刷永磁直流電機(jī)作為伺服電機(jī)。

   

伺服應(yīng)用中較常見的刷直流電機(jī)類型是永磁直流（PMDC）電機(jī)。

   

無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)也用于伺服系統(tǒng)。

   

無(wú)刷直流電機(jī)通常用霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器代替物理刷和換向器。

   

   

無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制信號(hào)示意圖。

   

換向器是一種定期反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流方向的旋轉(zhuǎn)電氣開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

   

它由一個(gè)圓柱體組成，由轉(zhuǎn)子上的多個(gè)金屬接觸段和刷子之間的電流通信組成。刷子由軟導(dǎo)電材料（如碳）制成，通常有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電觸點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)時(shí)與轉(zhuǎn)向器滑動(dòng)，以改變電流方向和電流傳導(dǎo)。

   

   

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

   

   

有刷直流電機(jī)和換向器結(jié)構(gòu)。

   

   

有刷直流電機(jī)示意圖。

   

交流電機(jī)通常是無(wú)刷的，盡管有些設(shè)計(jì)(如可以通過(guò)交流或直流電源運(yùn)行的通用電機(jī))確實(shí)有刷子并通過(guò)機(jī)械換向。

   

無(wú)刷交流（BLAC）這個(gè)術(shù)語(yǔ)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)（PM ）。

   

03

   

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(chǎng)和轉(zhuǎn)子是否同步，分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。

   

雖然直流電機(jī)通常被歸類為刷子或無(wú)刷電機(jī)，但交流電機(jī)更頻繁地區(qū)分旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，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，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(chǎng)相同的速度旋轉(zhuǎn)。

   

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

   

當(dāng)感應(yīng)電機(jī)與變頻驅(qū)動(dòng)器匹配時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)類似伺服電機(jī)的速度控制和性能，但它們不是真正的伺服設(shè)備，因?yàn)樗鼈兺ǔ２话答仭?/p>    

   

幾種伺服電機(jī)的對(duì)比來(lái)自MECAPOON。

   

   

伺服電機(jī)的應(yīng)用MECAPOON。

   

04

   

伺服電機(jī)的特點(diǎn)

   

伺服電機(jī)可以在不過(guò)熱的情況下以高速和低速運(yùn)行，并在零速時(shí)保持足夠的扭矩將負(fù)載固定到位。

   

雖然作用于系統(tǒng)的扭矩量發(fā)生了變化，但它們也能保持恒定的速度。

   

伺服電機(jī)也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，伺服系統(tǒng)通常由其速度轉(zhuǎn)矩曲線定義，表示電機(jī)的峰值和連續(xù)轉(zhuǎn)矩值。

   

   

典型的伺服電機(jī)速度扭矩圖。

   

峰值扭矩是電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的較大扭矩，連續(xù)扭矩可以無(wú)限期產(chǎn)生。

   

如果伺服電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間以高于其連續(xù)額定扭矩的方式運(yùn)行，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，這會(huì)損壞電機(jī)的電路。

   

伺服電機(jī)在高于峰值扭矩的情況下運(yùn)行，可能會(huì)使磁鐵退磁。

   

- END -

   

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