什么是伺服電機？常用伺服電機有哪些？有什么應用？

伺服電機是工業(yè)應用中較常見的電機。

   

常用于驅(qū)動運動軸，實現(xiàn)高精度定位。

   

比如運動平臺、傳送帶、機器人機械手、鏡頭調(diào)焦等。

   

   

伺服電機用于物料的取放。

   

   

   

   

伺服電機用于包裝。

   

   

伺服電機用于酒瓶傳送帶。

   

   

伺服電機用于機器人。

   

   

伺服電機用于機器人。

   

   

伺服電機XY來自體育平臺HIWIN。

   

   

伺服電機用于單軸運動平臺。

   

   

伺服電機用于鏡頭調(diào)焦。

   

什么是伺服電機？常用的伺服電機有哪些類型？

   

01

   

伺服電機

   

事實上，伺服電機是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電機，只要它在閉環(huán)系統(tǒng)中，就可以稱為伺服電機。因此，伺服與電機的結(jié)構(gòu)和類型無關。

   

它可以是我們之前說的任何電機。

   

如直線電機、同步電機、異步電機、直流電機、音圈電機、壓電機、磁滯電機甚至步進電機。

   

   

步進電機也可以是伺服電機Applied Motion Products。

   

這里的重點是閉環(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，用于反饋電機的位置，但沒有開環(huán)。

   

   

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

   

   

閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋，但沒有開環(huán)。

   

簡而言之，閉環(huán)系統(tǒng)是一種使用反饋裝置將系統(tǒng)的實際性能與位置、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，并利用反饋信息調(diào)整輸入來控制輸出，使其接近目標值。

   

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

   

   

通過油門控制速度示意圖駕駛。

   

在這個過程中，我們知道離目標有多遠，實時速度有多快。我們都想在到達目的地之前全速前進，但如果速度超過較大限度，我們會釋放油門或電門來降低速度。

   

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、控制器、驅(qū)動器、反饋裝置等設備。

   

   

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

   

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

   

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

   

伺服驅(qū)動器放大獨立控制器的信號，為電機提供足夠的電流來產(chǎn)生速度和扭矩。在旋轉(zhuǎn)電機中，電流與扭矩成正比，因此伺服驅(qū)動器直接控制電機產(chǎn)生的扭矩。同樣，在線電機中，電流與力成正比，因此驅(qū)動器控制電機產(chǎn)生的力。

   

反饋通常由編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器（看起來像傳感器）提供。在需要非常準確定位的應用程序中，可以使用兩個反饋設備來驗證電機的性能和負載的實際位置。

   

   

雙環(huán)控制常用于線性軸的精確定位。電機上有旋轉(zhuǎn)編碼器，線性軸上有線性編碼器。ABB。

   

在伺服電機中，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)，然后由控制器操作并給出控制命令傳輸?shù)津?qū)動器，然后由驅(qū)動器驅(qū)動電機，使其按設定的位移、速度或扭矩運行。

   

   

音圈伺服電機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)電機中的扭矩或線性電機中的力成正比。電流傳感器提供流過電機的電流信號，并將信號發(fā)送回控制器?？刂破鲝拿钚盘栔袦p去信號并作用于電機。伺服電機處于指令電流時，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，直到達到命令電流。通常在亞秒級更新，整個循環(huán)過程非常快。直流電機的電壓與速度成正比。當速度低于指示速度時，速度循環(huán)向電流循環(huán)發(fā)送命令，以增加電流和電壓。交流電機可以通過編碼器和其他傳感器反饋速度和位置，并通過速度循環(huán)和位置循環(huán)改變電流來控制。三個電路同步優(yōu)化，為伺服機構(gòu)提供穩(wěn)定準確的控制。

   

   

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，電機能否看伺服電機，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中，也可以單獨與電機組裝在系統(tǒng)中。

   

事實上，當美國致力于工廠自動化升級時，伺服電機的探索起源于1950年。

   

早期的自動化機械和工業(yè)機器人使用液壓或氣動來控制執(zhí)行器，但它們在準確性、可靠性、管道漏油等方面存在問題。

   

直流伺服電機隨著技術(shù)的進步而發(fā)展 50 和 60 為了取代麻煩的液壓和氣動機構(gòu)，增長并開始安裝在工業(yè)機器人中。

   

同時，交流伺服電機也出現(xiàn)了 20世紀80年代，它的優(yōu)點是使機器人更小更輕，扭矩脈動更小。因此，現(xiàn)代工業(yè)機械中使用的伺服電機大多是交流伺服電機。

   

03

   

伺服電機的類型

   

   

伺服電機的分類

   

伺服電機根據(jù)電機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

   

伺服電機可分為交流伺服電機和直流伺服電機。

   

交流與直流電機的主要區(qū)別在于速度控制。

   

對于直流電機，速度與恒定負載的電源電壓成正比，而在交流電機中，速度由施加電壓的頻率和磁極數(shù)決定。

   

   

交流伺服電機示意圖包括旋轉(zhuǎn)編碼器。

   

   

位置傳感器將位置信息返回到控制器。

   

交流伺服電機分為同步電機 和異步電機（感應電機）。同步電機包含永磁體。為了增加電機的輸出扭矩或力，增加了永磁體的使用，因此成本。廣泛應用于低功率應用（一般不超過10）kW）。

   

然而，隨著近年來高性能永磁體的出現(xiàn)，同步交流伺服電機已成為默認選擇。事實上，一些較常見的高性能工業(yè)伺服電機是三相同步無刷交流電機。

   

不使用永磁體的異步電機通常用于更高輸出的應用，如10kW 或更高。

   

交流電機雖然用于伺服系統(tǒng)，但能承受較高的電流。

   

同時，無刷直流電機（BLDC )在電機中，定子線圈呈梯形纏繞，產(chǎn)生梯形反電動勢波形，常產(chǎn)生聽力噪聲，分六步換向，產(chǎn)生扭矩脈動。

   

另一方面，同步交流電機具有正弦繞組定子，采用連續(xù)正弦換向消除 BLDC 電機經(jīng)歷的扭矩脈動。

   

這使得同步交流電機成為高性能工業(yè)伺服應用的首選。

   

例如，機器人、在線制造等需要高重復性和高精度的工業(yè)應用。

   

02

   

有刷伺服電機VS無刷伺服電機

   

伺服電機可分為刷伺服電機和無刷伺服電機。

   

刷電機通常更便宜，操作更簡單，無刷設計更可靠，效率更高，噪音更小。

   

根據(jù)定子結(jié)構(gòu)進一步細分定子機：串聯(lián)、并聯(lián)、復合或永磁。

   

雖然伺服系統(tǒng)中使用的電機大多是無刷設計的，但由于其簡單、成本低，有時使用帶刷永磁直流電機作為伺服電機。

   

伺服應用中較常見的刷直流電機類型是永磁直流（PMDC）電機。

   

無刷直流（BLDC）電機也用于伺服系統(tǒng)。

   

無刷直流電機通常用霍爾效應傳感器或編碼器代替物理刷和換向器。

   

   

無刷直流電機結(jié)構(gòu)及控制信號示意圖。

   

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，以實現(xiàn)連續(xù)運行。

   

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

   

   

刷直流電機和換向器（Commutator）結(jié)構(gòu)。

   

   

有刷直流電機和換向器結(jié)構(gòu)。

   

   

有刷直流電機示意圖。

   

交流電機通常是無刷的，盡管有些設計(如可以通過交流或直流電源運行的通用電機)確實有刷子并通過機械換向。

   

無刷交流（BLAC）這個術(shù)語可能有點混亂，因為它們也被稱為永磁交流（PMAC）電機或永磁同步電機（PM ）。

   

03

   

同步伺服電機VS異步伺服電機

   

最后，根據(jù)電機的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子是否同步，分為同步電機和異步電機。

   

雖然直流電機通常被歸類為刷子或無刷電機，但交流電機更頻繁地區(qū)分旋轉(zhuǎn)磁場的速度，即同步或異步。

   

在交流電機中，速度由電源電壓的頻率和磁極數(shù)決定，稱為同步速度。

   

在同步電機中，轉(zhuǎn)子以與定子旋轉(zhuǎn)磁場相同的速度旋轉(zhuǎn)。

   

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

   

當感應電機與變頻驅(qū)動器匹配時，可以實現(xiàn)類似伺服電機的速度控制和性能，但它們不是真正的伺服設備，因為它們通常不包含反饋。

   

   

幾種伺服電機的對比來自MECAPOON。

   

   

伺服電機的應用MECAPOON。

   

04

   

伺服電機的特點

   

伺服電機可以在不過熱的情況下以高速和低速運行，并在零速時保持足夠的扭矩將負載固定到位。

   

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。

   

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

   

   

典型的伺服電機速度扭矩圖。

   

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

   

如果伺服電機長時間以高于其連續(xù)額定扭矩的方式運行，則會產(chǎn)生過多的熱量，這會損壞電機的電路。

   

伺服電機在高于峰值扭矩的情況下運行，可能會使磁鐵退磁。

   

- END -

   

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