伺服电机的原理及应用有哪些

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。

一、伺服电机是一个典型闭环反馈系统

减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机定位的目的。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（分辨率）。

1、 直流伺服电机：

输入或输出为直流电能的旋转电机。它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗力强等优点，因而得到广泛地应用。

直流伺服电机可应用在火花机，机器手，的机器等，同时可加配减速箱，令机器设备带来可靠的准确性及高扭力。

2、交流伺服电机：

输入或输出为交流电能的旋转电机。 交流伺服电机分为同步和异步电机。

同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机zui主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。

异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。缺点是异步电机运行时，必须从电网吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏。

因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差(交流换向器电动机除外)，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备。对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等，采用直流电机较经济、方便。

二、交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向

运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。

一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式、转矩控制方式、位置控制方式 。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。

如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提率（比如大部分中运动控制器）。

1、转矩控制：

转矩控制方式，是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值，来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如：10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

2、位置控制：

位置控制模式，一般是通过外部输入的脉冲的频率，来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3、速度模式：

通过模拟量的输入或脉冲的频率，都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的zui终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

三、应用

由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同：

1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控 制的，精度和响应都不高。

2、在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对度的精度和响应 要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代，关键是两点：一是价格伺服远远高于 变频，二是功率的原因：变频zui大的能做到几百KW，甚至更高，而伺服zui大就几十KW。