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中文名稱：伺服電機

英文名稱：servo motor 

定義：

轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓應用學科：航空科技（一級學科）；航空機電系統(tǒng)（二級學科）

 

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(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，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，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現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

   

伺服電機介紹

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(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，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，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現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

 

伺服電機特性

1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；

2、轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉；

3、適應性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合；

5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內；

6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。

 

中文名稱：交流伺服電動機

英文名稱：alternating current servomotor 

定義：

用交流電信號控制的伺服電動機。 

應用學科：

機械工程（一級學科）；儀器儀表元件（二級學科）；儀表電機（二級學科） 

以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公布

目錄

應用趨勢 

交流伺服電動機的速度控制原理

交流伺服電動機，是將電能轉變?yōu)闄C械能的一種機器。

交流伺服電動機主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現(xiàn)象而制成的。

交流伺服電動機主要由定子部分和轉子部分組成，其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組（其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組）。

交流伺服電動機控制精度高，矩頻特性好，具有過載能力，多應用于物料計量，橫封裝置和定長裁切機上。

應用趨勢

自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環(huán)控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，pwm調速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結構復雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。目前，新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。 

交直流伺服電機系統(tǒng)

下面從功率驅動、性能、保護電路等方面，敘述其和直流伺服電機系統(tǒng)的不同特點。

功率驅動

對于在雷達上經(jīng)常使用的直流伺服系統(tǒng)的驅動電動機功率放大部分，當天線重量輕，轉速慢，驅動功率較小時，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動機。當驅動功率要求在近千瓦或千瓦以上時，選擇驅動方案，也即放大直流電動機的電樞電流，就是設計伺服系統(tǒng)的重要部分。大功率直流電源目前采用較多的有:晶體管功放、晶閘管功放和電機放大機等等。對于千瓦級的晶體管功放使用的較少�？煽毓杓夹g在上世紀60～70年代初得到快速的發(fā)展和廣泛的應用，但因當時的各方面原因，如可靠性等，不少產(chǎn)品放棄了可控硅控制。目前的集成驅動模塊一般都為晶體管或晶閘管制造。電機放大機是傳統(tǒng)的直流伺服電機的功放裝置，因其控制簡單，結實耐用，目前的新型號的雷達產(chǎn)品上仍有采用。下面主要以放大電機為例，和交流伺服電機比較其優(yōu)缺點。

放大電機常稱為擴大機，一般是用交流異步感應電動機拖動串聯(lián)的兩級直流發(fā)電機組，以此來實現(xiàn)直流控制。兩組控制繞組，每組的輸入阻抗為幾千歐，若串接使用輸入阻抗約10千歐，一般為互補平衡對稱輸入，當系統(tǒng)輸入不為零時打破其平衡，使放大電機有輸出信號。當輸入電流為十幾到幾十毫安時其輸出可達100v以上的直流電壓和幾安到幾十安的電流，直接接到直流伺服電機的電樞繞組上。其主要缺點是體積重量大，非線性度，尤其在零點附近不是很好，這對于要求高的系統(tǒng)需要仔細處理。

而交流伺服電機都配有專門的驅動器，它在體積和重量上遠小于同功率的放大電機，它靠內部的晶體管或晶閘管組成的開關電路，根據(jù)伺服電機內的光電編碼器或霍爾器件判斷轉子當時的位置，決定驅動電機的a、b、c三相應輸出的狀態(tài)，因此它的效率和平穩(wěn)性都很好。所以不像控制放大電機需要做專門的功放電路。這種電機一般都為永磁式的，驅動器產(chǎn)生的a、b、c三相變化的電流控制電機轉動，因此稱為交流伺服電機;驅動器輸入的控制信號可以是脈沖串，也可以是直流電壓信號（一般為±10v），所以也有將其稱為直流無刷電動機。

兩種電機的簡單試驗比較

對兩種電機作過簡單的試驗比較:只要將系統(tǒng)原先的直流誤差信號直接接入交流伺服驅動器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機和它的驅動器代替原先的差分功放、電機放大機和直流伺服電機，而控制部分和測角元件等均不變，簡單比較兩種方案的輸出特性。

交流伺服電動機的速度控制原理

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用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(xiàn)。 

一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。 

速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運動功能來選擇。 

如果您對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉矩，當然是用轉矩模式。 

如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。 

就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。 

對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環(huán)也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。 

換一種說法是： 

1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）�？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。 

2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。 

3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。

無刷伺服電機

無刷伺服電機是直流無刷伺服電機的簡稱，是直流無刷電機的一種。

直流無刷電機和直流電機是2個概念。雖然直流無刷電機名字帶直流，實際上是不是直流電機。從分類上來看，直流電機是一類，而直流無刷電機則屬于同步電機。同理：直流無刷伺服電機和直流伺服電機是2類，概念上不存在交集。簡言之：直流伺服電機特指直流有刷電機，直流有刷電機和直流無刷伺服電機不能統(tǒng)稱直流伺服電機。

無刷伺服電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以正弦波換相。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。

交流永磁伺服電機

伺服電機的工作原理

這里說的伺服電機是指交流永磁伺服電機。

 

　　交流伺服電機的工作原理：伺服系統(tǒng)一般由伺服放大器和伺服電機構成。

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，伺服放大器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的分辨率。

三菱伺服電機的分類

交流伺服系統(tǒng)分類：

主要的系列有：MR-J、MR-H、MR-C系列；MR-J2系列；MR-J2S系列；MR-E系列；MR-J3系列；MR-ES系列。

常用的伺服電機系列的功能介紹

三菱伺服電機MR-J2S系列

1、該產(chǎn)品還有RS-232和RS-422串行通訊功能，通過安裝有伺服設置軟件的個人計算機就能進行參數(shù)設定，試運行，狀態(tài)顯示和增益調整等操作。

2、與MR-J2S系列配套的伺服電機編碼器采用了分辨率為131072脈沖/轉的絕對位置編碼器，所以比MR-J2系列具有進行更高精度控制的能力，采用高性能的CPU，大大提高產(chǎn)品的響應性，速度環(huán)路頻率響應提高到550HZ。

3、多種系列伺服馬達適應不同控制需求，馬達上的編碼器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加電池，就能構成絕對位置系統(tǒng)。

4、使用更為方便，具有優(yōu)異的自動調諧性能，機械分析功能，可以輕松實現(xiàn)抑制機械振動，增益搜索功能，可以自動找出最佳增益值。

 

三菱伺服電機MR-J3系列

1、該產(chǎn)品具有USB和RS-422串行通訊功能，通過安裝有伺服設置軟件的個人計算機就能進行參數(shù)設定，試運行，狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調整等操作，該產(chǎn)品具有高水平自整定功能和高級振動抑制控制功能。 

2、與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉的絕對位置編碼器，速度環(huán)路頻率響應提高到900HZ，具有高速/大轉矩特性，所以比MR-J2S系列具有進行更高精度控制的能力。 

3、多種系列伺服馬達適應不同控制需求，馬達上的編碼器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加電池，就能構成絕對位置系統(tǒng)。 

4、功能更強的伺服設置軟件MR-configurator使用更為方便，具有精確的機械分析功能。

三菱伺服電機MR-ES系列

1、MR-ES系列從控制模式上又可分成MR-E-A-KH003（位置控制模式和速度控制模式），MR-E-AG-KH003（模擬量輸入的速度 控制模式和轉矩控制模式）。   

2、MR-ES系列的配套伺服電機的最新編碼器采用131072脈沖/轉分辨率的增量位置編碼器。

三菱伺服電機MR-E系列

菱通用AC伺服MR-ES系列是在MR-J2S系列的基礎上開發(fā)的，保持了高性能但是限定了功能的AC伺服系列。 

MR-ES系列從控制模式上又可分成MR-E-A-KH003（位置控制模式和速度控制模式），MR-E-AG-KH003（模擬量輸入的速度 控制模式和轉矩控制模式）。 

MR-ES系列的配套伺服電機的最新編碼器采用131072脈沖/轉分辨率的增量位置編碼器。