来告诉你什么是伺服电机，怎么工作的
日期：2021-03-18
在自动控制装置中，伺服电动机是一种微特电机，它的作用是把电讯号转换为转轴的角位移或角速度。执行电机也叫伺服电机，是自动控制系统中的执行元件，它将接收到的电子信号转化为电机轴角位移或角速度输出。
随动马达工作原理。
服务器(servomechanism)是一种自动控制系统，它能控制对象的位置、方位、状态等输出，从而跟踪输入目标(或给定值)的任意变化。
主要依靠脉冲来定位伺服电机，这一点基本可以理解，伺服电机接收1个脉冲，将其旋转1个相应的角，从而实现位移，因为，伺服电机本身具有发出脉冲的功能，因此，伺服电机每旋转一个角，将产生相应数目的脉冲，因此，与伺服电机接收的脉冲形成呼应，或称为闭环，这样，伺服电机每旋转一个角，系统就会发出相应的脉冲数，同时又接收多个脉冲回波，这样，就能非常精确地控制电机的转动，实现精确定位，可达0.001mm。
交流伺服电动机分为有刷电动机和无刷电动机。
具有刷电机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽、控制容易、需维护、易维护(换碳刷)、电磁干扰、使用环境要求高、常用于成本敏感的一般工业及民用场合。
无刷电机体积小、重量轻、输出功率大、响应快、速度高、惯性小、转矩平稳、控制复杂、智能化、电子换相方式灵活，可方波或正弦波换相，电机免维护，节能，电磁辐射小，温升低，寿命长，适应各种环境。
无刷电机也是交流伺服电机，分为同步电机和异步电机，目前运动控制中普遍采用同步电机，它的功率范围大，能达到很大的功率，惯量大，高转速低，转速随功率增加匀速下降，适合低速、平稳运行的场合。
在伺服电机内部，转子为永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在该磁场中转动，同时电机自带的编码器将反馈信号传送到驱动器，比较反馈值和目标值，从而调整转子转动角度，伺服电机的精度取决于编码器的精度(线数)。
随动马达的分类
伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机。
本实用新型的交流伺服电动机与交流异步电动机的结构基本相同。两相空间位移为90°电角的定子励磁线圈Wf和控制线圈WcoWf，接恒定交流电压，通过施加到线圈上的交流电压或相位的变化来实现对电机运行的控制。
交流伺服电机具有工作稳定，控制性能好，响应速度快，灵敏度高，非线性度指标的机械特性和调节特性要求严格(分别在10%~15%和15%~25%以下)。
直流伺服马达优缺点
优势：速度控制精确，具有较强的转矩速度特性，控制原理简单，使用方便，价格低廉。
不利因素：电刷换向，限速，附加阻力，产生磨损颗粒(无尘、易爆环境不宜)。
DC伺服电机的基本结构与普通DC类似。马达的速度n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E是电枢反电动势，K是常数，j是每极磁通，Ua、Ia是电枢电压和电枢电流，Ra是电枢电阻，Ua是变化时的Ua，φ是变化时的Ua，它们都可以控制直流伺服电动机的转速，但通常采用永磁式直流伺服电动机的励磁绕组由永久磁铁代替，磁通φ是恒定的。DC伺服电机具有良好的线性调节特性和快速的时间响应能力。
交流伺服马达优缺点
优势：速度控制性能良好，在整个速度区内均可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的率，低热量，高速控制，高精度位置控制(根据编码精度而定)，额定工作区域内，可实现恒力矩，惯量小，低噪音，无刷磨损，免维护(适用于无尘和易爆环境)。
不足之处：控制比较复杂，PID参数需要现场调整，需要更多的连接。
三种伺服电机控制方法。
，扭矩控制：扭矩控制是通过外部扭矩输入的模拟量或直接分配地址来设定电机轴外部输出扭矩的大小。
位置控制：位置控制方式一般是由外部输入的脉冲频率决定转动速度的大小，由脉冲数目决定转动角度，也可通过通信方式直接对速度和位移进行分配。
速度模式：旋转速度可通过模拟量输入或脉冲频率来控制，具有上位控制装置的外环PID控制也可实现速度模式定位，但必须将电机的位置信号或直接加载的位置信号反馈给上位反馈，以便操作。
定位方式还支持直接加载外环检测位置信号，此时电机轴端的编码器只检测电机转速，通过终加载端的直接加载检测装置提供位置信号，这样可减少中间传动过程的误差，提高整个系统的定位精度。
三环式伺服电机控制结构。
通常采用三环控制伺服电机，三环是一个闭环负反馈PID调节系统。
PID内侧的环是电流环，该环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器输出的各相电流，并将PID调整为负向反馈的电流，从而达到输出电流尽可能接近与设定电流相等，电流环即控制电机转矩，因此在转矩模式下驱动器的操作小，动态响应快。
环形2是速度环，通过检测到的电机编码器信号进行负反馈PID调节，其环形PID输出直接设置为电流环，因此速度环控制包括速度环和电流环，换句话说，任何模式都必须使用电流环，而电流环是控制的基础，在速度和位置控制的同时，系统实际也在进行电流(转矩)控制，以实现速度和位置的相应控制。
第三个环是位置环，它是外的一个环，可以在驱动器和马达编码器之间或者外部控制器和马达编码器之间或者终的负载之间进行构造，需要根据实际情况来决定。因为位置控制环的内部输出是速度环的设置，所以在位置控制模式下，系统要完成3个环的操作，此时系统运算量大，动态响应速度慢。
随动马达工作原理。
服务器(servomechanism)是一种自动控制系统，它能控制对象的位置、方位、状态等输出，从而跟踪输入目标(或给定值)的任意变化。
主要依靠脉冲来定位伺服电机，这一点基本可以理解，伺服电机接收1个脉冲，将其旋转1个相应的角，从而实现位移，因为，伺服电机本身具有发出脉冲的功能，因此，伺服电机每旋转一个角，将产生相应数目的脉冲，因此，与伺服电机接收的脉冲形成呼应，或称为闭环，这样，伺服电机每旋转一个角，系统就会发出相应的脉冲数，同时又接收多个脉冲回波，这样，就能非常精确地控制电机的转动，实现精确定位，可达0.001mm。
交流伺服电动机分为有刷电动机和无刷电动机。
具有刷电机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽、控制容易、需维护、易维护(换碳刷)、电磁干扰、使用环境要求高、常用于成本敏感的一般工业及民用场合。
无刷电机体积小、重量轻、输出功率大、响应快、速度高、惯性小、转矩平稳、控制复杂、智能化、电子换相方式灵活，可方波或正弦波换相，电机免维护，节能，电磁辐射小，温升低，寿命长，适应各种环境。
无刷电机也是交流伺服电机，分为同步电机和异步电机，目前运动控制中普遍采用同步电机，它的功率范围大，能达到很大的功率，惯量大，高转速低，转速随功率增加匀速下降，适合低速、平稳运行的场合。
在伺服电机内部，转子为永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在该磁场中转动，同时电机自带的编码器将反馈信号传送到驱动器，比较反馈值和目标值，从而调整转子转动角度，伺服电机的精度取决于编码器的精度(线数)。
随动马达的分类
伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机。
本实用新型的交流伺服电动机与交流异步电动机的结构基本相同。两相空间位移为90°电角的定子励磁线圈Wf和控制线圈WcoWf，接恒定交流电压，通过施加到线圈上的交流电压或相位的变化来实现对电机运行的控制。
交流伺服电机具有工作稳定，控制性能好，响应速度快，灵敏度高，非线性度指标的机械特性和调节特性要求严格(分别在10%~15%和15%~25%以下)。
直流伺服马达优缺点
优势：速度控制精确，具有较强的转矩速度特性，控制原理简单，使用方便，价格低廉。
不利因素：电刷换向，限速，附加阻力，产生磨损颗粒(无尘、易爆环境不宜)。
DC伺服电机的基本结构与普通DC类似。马达的速度n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E是电枢反电动势，K是常数，j是每极磁通，Ua、Ia是电枢电压和电枢电流，Ra是电枢电阻，Ua是变化时的Ua，φ是变化时的Ua，它们都可以控制直流伺服电动机的转速，但通常采用永磁式直流伺服电动机的励磁绕组由永久磁铁代替，磁通φ是恒定的。DC伺服电机具有良好的线性调节特性和快速的时间响应能力。
交流伺服马达优缺点
优势：速度控制性能良好，在整个速度区内均可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的率，低热量，高速控制，高精度位置控制(根据编码精度而定)，额定工作区域内，可实现恒力矩，惯量小，低噪音，无刷磨损，免维护(适用于无尘和易爆环境)。
不足之处：控制比较复杂，PID参数需要现场调整，需要更多的连接。
三种伺服电机控制方法。
，扭矩控制：扭矩控制是通过外部扭矩输入的模拟量或直接分配地址来设定电机轴外部输出扭矩的大小。
位置控制：位置控制方式一般是由外部输入的脉冲频率决定转动速度的大小，由脉冲数目决定转动角度，也可通过通信方式直接对速度和位移进行分配。
速度模式：旋转速度可通过模拟量输入或脉冲频率来控制，具有上位控制装置的外环PID控制也可实现速度模式定位，但必须将电机的位置信号或直接加载的位置信号反馈给上位反馈，以便操作。
定位方式还支持直接加载外环检测位置信号，此时电机轴端的编码器只检测电机转速，通过终加载端的直接加载检测装置提供位置信号，这样可减少中间传动过程的误差，提高整个系统的定位精度。
三环式伺服电机控制结构。
通常采用三环控制伺服电机，三环是一个闭环负反馈PID调节系统。
PID内侧的环是电流环，该环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器输出的各相电流，并将PID调整为负向反馈的电流，从而达到输出电流尽可能接近与设定电流相等，电流环即控制电机转矩，因此在转矩模式下驱动器的操作小，动态响应快。
环形2是速度环，通过检测到的电机编码器信号进行负反馈PID调节，其环形PID输出直接设置为电流环，因此速度环控制包括速度环和电流环，换句话说，任何模式都必须使用电流环，而电流环是控制的基础，在速度和位置控制的同时，系统实际也在进行电流(转矩)控制，以实现速度和位置的相应控制。
第三个环是位置环，它是外的一个环，可以在驱动器和马达编码器之间或者外部控制器和马达编码器之间或者终的负载之间进行构造，需要根据实际情况来决定。因为位置控制环的内部输出是速度环的设置，所以在位置控制模式下，系统要完成3个环的操作，此时系统运算量大，动态响应速度慢。
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