什么是伺服電機

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，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，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、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象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機工作原理

伺服電機在工業機器人中的應用

機器人產業的增長如火如荼，遍地開花，大量機床廠家、伺服廠家和其他有條件的企業都紛紛轉向機器人市場。為何機床廠家和伺服廠家如此積極轉型研發機器人?工業機器人有4大組成部分，分別為本體，伺服，減速器和控制器。

步進電機用于驅動機器人的關節，要求是要有最大功率質量比和扭矩慣量比、高啟動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。

機器人產業壯大，需要在伺服、集成控制等領域相繼取得突破才能成行。目前，我國在伺服等領域依然處于待突破階段，對本土機器人產業造成不利影響。

工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

工業自動化進程的持續推進，對于自動化軟件及硬件設備的需求都居高不下，其中國內工業機器人的市場一直穩步增長，預計在2015我國成為全球最大需求市場。

與此同時，直接帶動伺服系統的市場需求。美萊克供應的鳴志步進伺服電機系統在集成式電機中完美融入了伺服控制技術，具有精度高、穩定性好、速度快等特點。

目前，由于高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電機在工業機器人中得到廣泛的應用。其他電機，如交流伺服電機、步進電機根據不同的應用需求也會應用到工業機器人中。

特別是像機器人末端執行器(手爪)應采用體積、質量盡可能小的電機，尤其是要求快速響應時，伺服電機必須具有較高的可靠性，并且有較大的短時過載能力。具體使用要求：

快速性。

啟動轉矩慣量比大。

控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

調速范圍寬。

體積小、質量小、軸向尺寸短。

能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能夠在短時間內承受過載。

伺服電機行業未來趨勢

現代交流伺服系統，在經歷了從模擬到數字化的轉變后，其內部數字控制環已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制等;其實現主要通過新型功率半導體器件，像高性能DSP加FPGA、甚至伺服專用模塊也不足為奇。且新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法也日新月異，國際廠商的伺服產品大概每5年亦會更新換代——總而言之，產品生命周期越來越短，變化越來越快。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些伺服電機系統的最新發展趨勢：

高效率化

盡管高效化一直都是伺服系統重要的發展課題，但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率：比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計；也包括驅動系統的高效率化：包括逆變器驅動電路的優化，加減速運動的優化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅動

直接驅動包括采用盤式電機的轉臺伺服驅動和采用直線電機的線性伺服驅動，由于消除了中間機械傳動設備的（如齒輪箱）傳遞誤差，從而實現了高速化和高定位精度。而直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化

采用更高精度的編碼器，更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略，不斷將伺服系統的基礎指標（控制速度、控制精度）提高。

一體化和集成化

電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個發展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智能化電機，有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰和工程師使用習慣的挑戰，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。

通用化

通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環控制系統。

智能化

現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

網絡化和模塊化

將現場總線和工業以太網技術、甚至無線網絡技術集成到伺服驅動器當中，已經成為歐洲和美國廠商的常用做法。現代工業局域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。

從故障診斷到預測性維護

隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢，并采取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器，以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。

**專用化和多樣化**

雖然市場上存在通用化的伺服產品系列，但是為某種特定應用場合專門設計制造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構和嵌入式永磁轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，并引起國內廠家的研究