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行人們所期望的運動的系統(tǒng)，實現(xiàn)包括位置、方位、狀態(tài)等輸出量的自動控制。它不僅是工業(yè)自動化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)精準定位、精準運動的必要途徑。作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行單元，伺服電機種類繁多，其中永磁同步伺服電機因其高效節(jié)能、操作簡易等優(yōu)點，逐漸成為市場主流。相比于步進電機，伺服電機在控制精度、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)以及伺服電機的工作原理及其分類，并對伺服電機的常用性能指標作出說明。

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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)動器、編碼器和伺服電機等部件構(gòu)成，其運動原理圖如下圖所示：

伺服系統(tǒng)是一種自動控制系統(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（或給定值）的變化而變化。伺服驅(qū)動器在接收下達的控制命令后，會發(fā)出信號給伺服電機驅(qū)動其轉(zhuǎn)動；與此同時，嵌入電機的編碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動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)行機構(gòu)（電機等機械傳動裝置）的輸出變量。

伺服驅(qū)動器、伺服電機及編碼器的功能介紹如下：

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伺服驅(qū)動器

1、構(gòu)成

伺服驅(qū)動器主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、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)動器大體可以劃分為功率板和控制板兩個模塊。功率板是強電部分（功率大、電流大、頻率低的電力部分），其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM，用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元，為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠?，是電機的控制核心，也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體。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)動電路的驅(qū)動信號，來改變逆變器的輸出功率，以達到控制交流伺服電機的目的。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，用于功率驅(qū)動單元，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)，在短時間內(nèi)IGBT實現(xiàn)國產(chǎn)化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個交流伺服系統(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。控制板所采用的數(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/計數(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（隨機存取存儲器）和大容量的程序存儲器等，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(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)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路。功率驅(qū)動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)動伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個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的比例控制。簡單的伺服驅(qū)動器包含用于控制扭矩的單個伺服回路。更先進的伺服驅(qū)動器可增設(shè)速度環(huán)，并且還可以包含位置環(huán)。在完整的伺服驅(qū)動器系統(tǒng)中，運動控制器發(fā)出的數(shù)字信號將命令所需的運動軌跡利用這三個伺服回路來優(yōu)化性能。每個環(huán)路向后續(xù)環(huán)路發(fā)送信號，并監(jiān)測適當?shù)姆答佋?，從而進行實時更正，以匹配命令參數(shù)。

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伺服電機

1、構(gòu)成

市場主流的交流伺服電機由前后端蓋、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（編碼器在下文單獨介紹）。交流伺服電機結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

定子主要由機座、定子鐵芯和定子繞組三部分組成，其中機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)軸則用于輸出機械轉(zhuǎn)矩。異步交流電機的轉(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、交流伺服電機的工作原理

交流伺服電機按照轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁場是否同步，可以分為交流同步電機和交流異步電機。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

永磁式同步伺服電機的轉(zhuǎn)子中裝有永磁體，當定子繞組接通控制電壓時，產(chǎn)生的電流共同作用產(chǎn)生一個合成的旋轉(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)。

永磁同步電機的結(jié)構(gòu)圖和工作原理

（2）交流異步伺服電機

在異步交流伺服電機中，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)電流不會產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子就不能保持勻速運動。

轉(zhuǎn)子繞組被旋轉(zhuǎn)磁場切割

（3）兩者之間的比較優(yōu)勢

由于永磁鐵材料價格昂貴，相比于異步伺服電機，永磁式同步伺服電機的轉(zhuǎn)子的造價、維修費用相對較高，且永磁體存在高溫退磁的風(fēng)險。但也因為轉(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（計算公式：最大功率/電機體積或重量）衡量單位體積或重量產(chǎn)生的能量傳輸時間速率，電機功率越大且體積、質(zhì)量越小時，功率密度越高。當工業(yè)生產(chǎn)的空間有限時，功率密度是重要的考慮因素。永磁同步交流電機的功率密度范圍在2左右，異步交流電機為0.3-1.0之間。隨著新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機的體積和重量進一步減小，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)軸的運動轉(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轉(zhuǎn)速和位置，實時發(fā)送反饋信號到伺服驅(qū)動器，從而實現(xiàn)對伺服電機的閉環(huán)控制。因此，伺服電機的控制精確度很大程度取決于編碼器的精度。當前廣泛使用的數(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)一定的角度或移動一定的距離會產(chǎn)生一個脈沖，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最小角度就越小。

由于編碼器檢測電機的旋轉(zhuǎn)位移采用相對方式，若系統(tǒng)突然斷電，相對脈沖個數(shù)未儲存，再次通電后系統(tǒng)將無法知道執(zhí)行機構(gòu)的當前位置，需要讓電機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位二進制單圈絕對值編碼器的碼盤為例，該玻璃碼盤分為4個環(huán)，每個環(huán)分成16等份，每個位置點都有唯一的編碼。通過編碼器輸出的代碼就能確定電動機的當前位置，輸出代碼的變化方向可以確定電動機的轉(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機的轉(zhuǎn)速。單圈絕對值編碼器定位不受斷電影響，再次通電后，編碼器當前位置的編碼不變。

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伺服電機的性能評價體系及產(chǎn)品對比

在選型時，針對不同的應(yīng)用情境，對于伺服電機各項性能的考量也會有所不同。下面將對幾個常見的性能指標作出說明：

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額定轉(zhuǎn)矩

額定轉(zhuǎn)矩是電機在額定電壓、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，則電機的在一定電流比下的轉(zhuǎn)矩越大。

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負載特性

負載特性是額定轉(zhuǎn)矩下電機持續(xù)負載運行，同時峰值轉(zhuǎn)矩可滿足幾倍額定轉(zhuǎn)矩的短時指標。負載特性越高，則伺服電機的過載能力越強。

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編碼器分辨率

編碼器分辨率是指編碼器在伺服電機旋轉(zhuǎn)一圈所輸出的絕對位置，可以起到實時檢測伺服電機位置和速度的作用。編碼器的分辨率越高，伺服電機的最小刻度位置就越小，則伺服電機旋轉(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

除了上述指標之外，伺服電機額定功率的大小、運行噪音大小、體積與質(zhì)量等也常常成為選型時進行比較的指標。

除了上述指標之外，伺服電機額定功率的大小、運行噪音大小、體積與質(zhì)量等也常常成為選型時進行比較的指標。

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伺服電機與步進電機的對比

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

雖然在上述三個指標中伺服電機表現(xiàn)更優(yōu)，但步進電機具有低價優(yōu)勢。一般來說，伺服電機的價格是步進電機的 2-5 倍。

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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)生自感電動勢，引起自感壓降。描述漏磁通可以用一個電抗表示，就是漏電抗。

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

3、電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩是電動機旋轉(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。是電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能最重要的物理量之一。當電樞繞組中有電樞電流流過時，通電的電樞繞組在磁場中將受到電磁力，該力與電機電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。

4、負載：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、電機的機電時間常數(shù)：機械時間常數(shù)，是電動機從啟動到轉(zhuǎn)速達到空載轉(zhuǎn)速的63.2%時所經(jīng)歷的時間。

6、轉(zhuǎn)動慣量：是剛體繞軸轉(zhuǎn)動時慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性）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、脈沖當量：當控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產(chǎn)生的定位控制移動的位移。對直線運動來說，是指移動的距離，對圓周運動來說，是指其轉(zhuǎn)動的角度。

審核編輯 ：李倩