伺服电机综述

伺服电机综述

luqingsong@

摘要：文章对伺服电机及其工作原理进行了简要介绍，并介绍了伺服控制系统同时分析了国内外伺服电机的研究现状。

关键词：伺服电机伺服系统研究现状

1伺服电机简介

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。[1]

2伺服电机工作原理

伺服电机在控制系统的控制下，实现相应的动作，其相应的命令就是输入的电压信号，一般由单片机提供，有几伏电压到几千伏电压驱动的伺服电机，伺服电机通过接受到的电压信号，识别信号的占空比，从而实现伺服电机的转速的输出控制，伺服电机把输入的电压信号转换为伺服电机的转矩，其占空比比较大，时间常数相应比较小，能够快速的响应，其归根结底则是根据输入的信号电平转化为伺服电机电机轴的角位移或者角速度输出，达到信号旋转驱动后面负载的元器件的功能，其作为一个动力驱动源，应用很广泛。

伺服电机一般度较小，现今使用的多为交流伺服电机，交流伺服电机有着优良的特性，体积小，执行相应时间小，其功率值的调动范围很大，相对于交流伺服电机而言直流伺服电机体积比较大，其执行的精度虽高，但在成本和实用下，性能比远远低于交流伺服电机。现如今，工业企业等大小的实验，均采用的是交流伺服电机，交流伺服电机分为同步交流伺服电机和异步交流伺服电机。交流伺服电机采用的是单片机输入的ＰＷＭ脉宽数，执行相应的反应动作，交流伺服电机通过接收到的ＰＷＭ脉宽数，执行电机的主轴输出轴的转速的控制。

3伺服电机控制系统简介

3.1开环伺服系统

开环伺服系统不设置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型设备。

3.2半闭环伺服系统

半闭环伺服系统采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满足的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

3.3全闭环伺服系统

闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。

4国内外研究现状

4.1国外

国外伺服驱动技术发展的比较早，到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。

日本安川

日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适

用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

✧日本松下

近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。

✧德国西门子

德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。

✧美国科尔摩根

I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。

4.2国内

上世纪90年代末，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功，但产业化方面比较滞后，尚未形成商品化和批量生产能力，国内对精密交流伺服电机控制系统的需求还主要依赖进口，如日本三菱、松下、富士和德国西门子等。近几年，华中数控、广州数控、航天数控、兰州电机等的伺服驱动器及电机产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控机床行业，功率规格在400W以上，没有针对整个自动化控制行业形成全系列规格标准产品。[]