伺服系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

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引言

“伺服（Servo）”一詞源于希臘語“奴隸”，意即“伺候”和“服從”，伺服系統(tǒng)就是指可以按照外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括位置、方位、狀態(tài)等輸出量的自動(dòng)控制。它不僅是工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的必要途徑。作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行單元，伺服電機(jī)種類繁多，其中永磁同步伺服電機(jī)因其高效節(jié)能、操作簡易等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為市場主流。相比于步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)在控制精度、穩(wěn)定輸出、過載能力等性能上優(yōu)勢明顯，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。本文將簡單介紹伺服系統(tǒng)以及伺服電機(jī)的工作原理及其分類，并對伺服電機(jī)的常用性能指標(biāo)作出說明。

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伺服系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和伺服電機(jī)等部件構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)原理圖如下圖所示：

伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的變化而變化。伺服驅(qū)動(dòng)器在接收下達(dá)的控制命令后，會(huì)發(fā)出信號給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)；與此同時(shí)，嵌入電機(jī)的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器完成對信號的匯總、分析和修正。由此，伺服系統(tǒng)以閉環(huán)的形式精確控制了執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)裝置）的輸出變量。

伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及編碼器的功能介紹如下：

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伺服驅(qū)動(dòng)器

1、構(gòu)成

伺服驅(qū)動(dòng)器主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。

伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功率板和控制板兩個(gè)模塊。功率板是強(qiáng)電部分（功率大、電流大、頻率低的電力部分），其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開關(guān)電源單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠郑请姍C(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體。控制板通過相應(yīng)的算法輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號，來改變逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制交流伺服電機(jī)的目的。其中，逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電（一般為220V，50Hz正弦波）的轉(zhuǎn)換器。

伺服驅(qū)動(dòng)器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，用于功率驅(qū)動(dòng)單元，能夠輔助直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。我國IGBT市場90%以上被外資企業(yè)占領(lǐng)，在短時(shí)間內(nèi)IGBT實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器?？刂瓢逅捎玫?a target="_blank">數(shù)字信號處理器（DSP）除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如AC/DC（交流直流）轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)）總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和大容量的程序存儲(chǔ)器等，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。

伺服回路可根據(jù)輸入命令信號提供電機(jī)的比例控制。簡單的伺服驅(qū)動(dòng)器包含用于控制扭矩的單個(gè)伺服回路。更先進(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)器可增設(shè)速度環(huán)，并且還可以包含位置環(huán)。在完整的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的數(shù)字信號將命令所需的運(yùn)動(dòng)軌跡利用這三個(gè)伺服回路來優(yōu)化性能。每個(gè)環(huán)路向后續(xù)環(huán)路發(fā)送信號，并監(jiān)測適當(dāng)?shù)姆答佋?，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)更正，以匹配命令參數(shù)。

02

伺服電機(jī)

1、構(gòu)成

市場主流的交流伺服電機(jī)由前后端蓋、軸承、定子、轉(zhuǎn)子以及編碼器等部件組成，其核心部件是定子、轉(zhuǎn)子和編碼器（編碼器在下文單獨(dú)介紹）。交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

定子主要由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組三部分組成，其中機(jī)座一般用鋁或不銹鋼制成，用于固定和支撐定子鐵芯；定子鐵芯由硅鋼片或鐵鎳合金疊壓而成，用于鑲嵌定子繞組；定子繞組是定子鐵芯上固定的線匝，均勻地分布在定子槽里，主要用于在通電后形成旋轉(zhuǎn)磁場。

永磁式同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成，其中轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊成，能增加電感線圈（定子繞組）的磁通量，實(shí)現(xiàn)電磁功率的最大轉(zhuǎn)換；永磁體材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料等，其內(nèi)部存在著分子電流，能夠形成磁場；轉(zhuǎn)軸則用于輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。異步交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有永磁體，但有轉(zhuǎn)子繞組，繞組由導(dǎo)線纏繞而成，用于切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流。

2、交流伺服電機(jī)的工作原理

交流伺服電機(jī)按照轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁場是否同步，可以分為交流同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。其工作原理均基于電磁感應(yīng)定律，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與旋轉(zhuǎn)磁場是否同步。具體如下：

（1）永磁式同步伺服電機(jī)

永磁式同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子中裝有永磁體，當(dāng)定子繞組接通控制電壓時(shí)，產(chǎn)生的電流共同作用產(chǎn)生一個(gè)合成的旋轉(zhuǎn)磁場，永磁體產(chǎn)生的磁場與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使得轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖和工作原理

（2）交流異步伺服電機(jī)

在異步交流伺服電機(jī)中，定子繞組接入交流電源，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場被轉(zhuǎn)子繞組上的導(dǎo)條切割，從而使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生電磁力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子趕不上定子磁場變換的速度，或不同步，所以稱為做“異步”。如果轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場保持同步，轉(zhuǎn)子繞組將無法被旋轉(zhuǎn)磁場切割，感應(yīng)電流不會(huì)產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子就不能保持勻速運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)子繞組被旋轉(zhuǎn)磁場切割

（3）兩者之間的比較優(yōu)勢

由于永磁鐵材料價(jià)格昂貴，相比于異步伺服電機(jī)，永磁式同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子的造價(jià)、維修費(fèi)用相對較高，且永磁體存在高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)。但也因?yàn)檗D(zhuǎn)子部分無需借助切割磁場獲得的感應(yīng)電流，永磁式同步伺服電機(jī)不需要考慮轉(zhuǎn)子銅耗（繞組電阻因發(fā)熱產(chǎn)生的損耗），且由永磁材料提供磁場，功率密度高。

功率密度（計(jì)算公式：最大功率/電機(jī)體積或重量）衡量單位體積或重量產(chǎn)生的能量傳輸時(shí)間速率，電機(jī)功率越大且體積、質(zhì)量越小時(shí)，功率密度越高。當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)的空間有限時(shí)，功率密度是重要的考慮因素。永磁同步交流電機(jī)的功率密度范圍在2左右，異步交流電機(jī)為0.3-1.0之間。隨著新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)的體積和重量進(jìn)一步減小，性能也在持續(xù)提高。

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編碼器

1、構(gòu)成

伺服電機(jī)編碼器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號電路組成。編碼器的敏感元件由發(fā)光管和玻璃碼盤等部件組成，能將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺?a target="_blank">光電接收管即為轉(zhuǎn)換元件，能經(jīng)放大整形電流將光這一物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

2、工作原理

編碼器能夠檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置，實(shí)時(shí)發(fā)送反饋信號到伺服驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。因此，伺服電機(jī)的控制精確度很大程度取決于編碼器的精度。當(dāng)前廣泛使用的數(shù)字編碼器可以分為增量編碼器與絕對值編碼器兩種。

增量編碼器接在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上，每旋轉(zhuǎn)一定的角度或移動(dòng)一定的距離會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，輸出脈沖隨著位移增加而不斷增多。以常用的光電編碼器為例，該編碼器主要由玻璃碼盤、發(fā)光管、光電接收管和整形電路組成，玻璃碼盤的結(jié)構(gòu)如下圖所示，黑色部分不透明，白色部分透明，可以通過光線，玻璃碼盤套在轉(zhuǎn)子中心的轉(zhuǎn)軸上，與伺服電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。編碼器的發(fā)光管發(fā)出光線照射玻璃碼盤，光線透過透明孔照射到光電接收管，從而得到脈沖，脈沖經(jīng)放大整形后輸出，反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器。工作原理說明圖如下：

玻璃碼盤

編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)即分辨率。碼盤上刻出的透明孔越多，分辨率就越高。編碼器的分辨率越高，說明編碼器可讀取并輸出的電機(jī)最小角度就越小。

由于編碼器檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移采用相對方式，若系統(tǒng)突然斷電，相對脈沖個(gè)數(shù)未儲(chǔ)存，再次通電后系統(tǒng)將無法知道執(zhí)行機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置，需要讓電機(jī)回到零位重新開始工作。絕對值編碼器解決了這一問題。以4位二進(jìn)制單圈絕對值編碼器的碼盤為例，該玻璃碼盤分為4個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)分成16等份，每個(gè)位置點(diǎn)都有唯一的編碼。通過編碼器輸出的代碼就能確定電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前位置，輸出代碼的變化方向可以確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，如由0000往000[1][2] 1變化為正轉(zhuǎn)，1100往0111變化為反轉(zhuǎn)，通過檢測光電接收管產(chǎn)生的脈沖頻率就能確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。單圈絕對值編碼器定位不受斷電影響，再次通電后，編碼器當(dāng)前位置的編碼不變。

02

伺服電機(jī)的性能評價(jià)體系及產(chǎn)品對比

在選型時(shí)，針對不同的應(yīng)用情境，對于伺服電機(jī)各項(xiàng)性能的考量也會(huì)有所不同。下面將對幾個(gè)常見的性能指標(biāo)作出說明：

01

額定轉(zhuǎn)矩

額定轉(zhuǎn)矩是電機(jī)在額定電壓、額定頻率下長期工作軸上輸出的最大允許轉(zhuǎn)矩，決定了伺服電機(jī)能否持續(xù)以定額功率、定額電流、定額轉(zhuǎn)速輸出。額定轉(zhuǎn)矩越高，則電機(jī)的在一定電流比下的轉(zhuǎn)矩越大。

02

負(fù)載特性

負(fù)載特性是額定轉(zhuǎn)矩下電機(jī)持續(xù)負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)峰值轉(zhuǎn)矩可滿足幾倍額定轉(zhuǎn)矩的短時(shí)指標(biāo)。負(fù)載特性越高，則伺服電機(jī)的過載能力越強(qiáng)。

02

編碼器分辨率

編碼器分辨率是指編碼器在伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所輸出的絕對位置，可以起到實(shí)時(shí)檢測伺服電機(jī)位置和速度的作用。編碼器的分辨率越高，伺服電機(jī)的最小刻度位置就越小，則伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移也就越小，控制的精度也就越高。

下表列出了幾款產(chǎn)品的指標(biāo)參數(shù)：

注：數(shù)據(jù)來源于禾川科技首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市招股說明書

除了上述指標(biāo)之外，伺服電機(jī)額定功率的大小、運(yùn)行噪音大小、體積與質(zhì)量等也常常成為選型時(shí)進(jìn)行比較的指標(biāo)。

除了上述指標(biāo)之外，伺服電機(jī)額定功率的大小、運(yùn)行噪音大小、體積與質(zhì)量等也常常成為選型時(shí)進(jìn)行比較的指標(biāo)。

03

伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的對比

伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)都是當(dāng)前市面上常見的電機(jī)類型，但交流伺服在性能方面普遍優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)對比如下：

雖然在上述三個(gè)指標(biāo)中伺服電機(jī)表現(xiàn)更優(yōu)，但步進(jìn)電機(jī)具有低價(jià)優(yōu)勢。一般來說，伺服電機(jī)的價(jià)格是步進(jìn)電機(jī)的 2-5 倍。

04

名詞解釋

1、漏電抗：漏電抗簡稱漏抗是由漏磁通引起的。在電機(jī)的繞組中，通入電流，將產(chǎn)生磁通，根據(jù)磁通的路徑，可以分為主磁通和漏磁通兩部分。漏磁通則是只與產(chǎn)生它的繞組交鏈（只穿過產(chǎn)生它的繞組），漏磁通不起能量轉(zhuǎn)換、傳遞的作用，只產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，引起自感壓降。描述漏磁通可以用一個(gè)電抗表示，就是漏電抗。

2、轉(zhuǎn)矩：各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系，轉(zhuǎn)矩的測量對傳動(dòng)軸載荷的確定與控制、傳動(dòng)系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。

3、電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場各極磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用而在轉(zhuǎn)子上形成的旋轉(zhuǎn)力矩。是電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能最重要的物理量之一。當(dāng)電樞繞組中有電樞電流流過時(shí)，通電的電樞繞組在磁場中將受到電磁力，該力與電機(jī)電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。

4、負(fù)載：在物理學(xué)中指連接在電路中的兩端具有一定電勢差的電子元件，用于把電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能的裝置；在電工學(xué)中指在電路中接收電能的設(shè)備，是各類用電器的總稱。

5、電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)：機(jī)械時(shí)間常數(shù)，是電動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的63.2%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

6、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性）的量度，用字母I或J表示。

7、功率因數(shù)：功率因數(shù)是指交流電路有功功率對視在功率的比值。用戶電器設(shè)備在一定電壓和功率下，該值越高效益越好，發(fā)電設(shè)備越能充分利用。

8、脈沖當(dāng)量：當(dāng)控制器輸出一個(gè)定位控制脈沖時(shí)，所產(chǎn)生的定位控制移動(dòng)的位移。對直線運(yùn)動(dòng)來說，是指移動(dòng)的距離，對圓周運(yùn)動(dòng)來說，是指其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

審核編輯 ：李倩