伺服电机工作原理

发表于 2022-07-23 分类于激光打标阅读次数：本文字数： 6.7k 阅读时长 ≈ 17 分钟

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机 ”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

工作原理

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可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。

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

伺服机构

能被称为“伺服电机”的，除了交流伺服电机，还有直流伺服电机及RC伺服电机等。同时还需要不可或缺的位置/速度检测机构。

伺服机构是以物体的位置、方位、姿态等控制量，跟随目标（或给定值）变化的自动控制系统。伺服的英文“servo”以拉丁语中表示“奴隶”的“servus”为词根，意思是按照指令动作的控制。

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（线数）。

交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

伺服电机优点

精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；
转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；
及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；
舒适性：发热和噪音明显降低。

简单点说就是：平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走，反应极快。但步进电机存在失步现象。

伺服电机的应用领域就太多了。只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。

控制特性

三环反馈

伺服电机一般为三个环控制，三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢

控制模式

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。

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。

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

交流伺服电机

主要分为上位控制器、伺服放大器和电机三部分。另外，有些系统还将上位控制器用于位置反馈的，伺服放大器用于速度控制，或者在电机外部进行位置检测。

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交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多

优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）。

缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

起动转矩大

由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0>1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

运行范围较广

交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

无自转现象

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）

上位控制器

生成电机动作轨迹，向伺服放大器发出指令。其接口一般适用脉冲列，每发送1个脉冲指令，伺服电机便像步进电机一样旋转一定角度。因此，上位控制器也可以用于步进电机。各厂商的接口已经统一，并非一定要选电机同品牌的上位控制器。

伺服放大器

伺服放大器由伺服控制器与电机驱动放大器组成。交流伺服电机的伺服控制几乎都是数字控制，采用高性能的DSP或者微控制器。电机驱动放大器则是采用矢量控制三相正弦波PWM驱动。

直流伺服电机

直流伺服电机可应用在是火花机、机械手、精确的机器等。可同时配置2500P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。多级结构的力矩波动小。

直流伺服电机虽然有电刷与换向器接触的缺点，但基本性能可以匹敌交流伺服电机，用途也与之十分接近。而且，它们在电机及伺服放大器的设计与制造方面有很多共同点，很多厂商把直流伺服电机和交流伺服电机放在一起销售。

优缺点

直流伺服电机的优点：

小型轻量，效率高。转矩速度特性很硬
适合低电压工作。
采用高性能永磁体可以得到高效率/大功率。
电机与伺服放大器的系统价格较低。
通过反馈，旋转精度及定位性能等基本性能很高。控制原理简单

直流伺服电机的缺点：

要根据负载进行伺服控制。
存在电刷磨损，需要保养。
电刷磨损会产生粉尘，不适用于洁净环境。
会产生机械及电机噪声。

有刷和无刷

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，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

无铁心直流电机

很多厂商将其用于直流伺服电机。无铁心直流电机的特点如下：

转子惯量小。
电机线圈的电感小，整流特性好。
不产生齿槽转矩。

RC伺服电机

RC伺服在广义上也算是直流伺服电机，但是其特性及应用领域与直流伺服电机有所区别。RC伺服电机多用于遥控模型的转向控制，使用电位计（可变电阻器）检测位置，旋转角度能达到180°。

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如图（a）所示的框图，RC伺服电机由控制器和电机组成，控制器包含位置偏差检测电路、电机驱动放大器及单稳态多谐振荡器，电机部分包含直流电机和电位计。

RC伺服系统的工作原理可用图（b）所示的时序图来说明。目标位置由外部PWM信号指定，信号周期为20ms，脉宽为1～2ms（具体参数以RC伺服电机数据表为准）

接下来是位置检测，根据电机内置电位计的阻值，单稳态多谐振荡器输出脉宽变化。位置检测的脉宽与目标位置一致，范围为1～2ms。

检测位置未达到目标位置，位置偏差检测电路输出正转脉冲。若检测位置通过了目标位置，则输出反转脉冲。

电机驱动放大器根据正转脉冲和反转脉冲的位置偏移脉宽，确定直流电机的驱动电压极性和驱动时间。之后，通过位置反馈，RC伺服电机定位于目标位置。再者，伺服增益的调整通过电机驱动放大器完成，测量偏差脉冲，调整驱动时间。

RC伺服电机的优点:

广泛用于玩具，所以廉价
设计为电池驱动，适合低电压工作
小型轻量

RC伺服电机的缺点:

需要调整单稳态多谐振荡器
存在电刷磨损，需要保养
电刷磨损会产生粉尘，不适用于洁净环境
会产生机械/电机噪声
伺服周期大约为20ms（交流伺服电机在1ms左右），略为粗放，振荡明显

位置检测装置

伺服机构依赖反馈控制，需要位置或速度检测机构。不论是硬件方式，还是软件方式，概不例外。交流伺服电机最擅长控制位置，但也离不开位置检测装置。下面介绍几种典型的位置检测装置。

磁编码器

电机的轴上装有多极永磁体。该永磁体不是驱动用的，而是编码器专用。传感器板上的传感器元件有磁阻型（MR）与霍尔型两种。对传感器输出的正弦波状两相信号（sin/cos）进行插值处理，能得到高分辨率位置信息。

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磁编码器的主要特点如下：

小型。
MR型可以实现高分辨率。
霍尔型很难实现高分辨率（要调整每个元件）。
比较便宜。

光电编码器

电机轴上固定有高精度码盘，码盘上有许多光学狭缝。光电晶体管检测通过狭缝（遮光板）的发光二极管（LED）发射的光，将狭缝位置转换成电信号。码盘旋转，便可得到连续脉冲列。这里以增量式光电编码器为例，另外还有绝对值编码器。

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光电编码器的主要特点如下：

能实现高分辨率
位置再现性好（高精度）
增量式编码器相对便宜
绝对值编码器相对昂贵

旋转变压器

旋转变压器的转子与电机转子直连。在励磁侧（—次侧）施加交流电压，转子旋转时在相差90°配置的输出侧（二次侧）便可得到sin/cos信号。由于sin/cos信号的品质高，因而可以用于高分辨率的绝对值编码器。

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旋转变压器的主要特点如下：

结构坚固，适合工业用途。
无主动元件，耐用性高。
能检测转子位置绝对值，不需要其他传感器
伺服放大器侧要有交流振动电路及插值处理电路

失步和过冲

失步

失步是指伺服电机控制器发出N个脉冲，但是伺服电机未执行到N步，部分脉冲丢掉了。

伺服电机的失步在早期非常频繁，其主要原因是驱动技术不够成熟，上位机发出的脉冲，伺服电机驱动器未能完全接收或者未能完全处理成电脉冲发给伺服电机。

随着驱动芯片的运算能力大副提高，光藕的性能和速度大副提高，驱动器的抗干扰能力增强，这种因驱动器的性能和品质导致的失步几乎不存在了。

1、因选型不合适导致的力矩欠缺，没有足够余量，导致机械部分因摩擦力等外力的突然增加，伺服电机力矩不足导致的步进电动机失步。

2、因控制的加减速做得过陡，或者没有加减速，导致的失步，还有一个方面就是因为干扰，如控制器到驱动器之间的线过长，驱动器到电动机的线过长，或有强干扰源，或开关电源不稳定，或驱动器与其他电器共用电源导致的分压等干扰，引起电机失步。

过冲

过冲则是电机在从运动到停止，或从高速降低到低速时，因减速过抖或者没有减速，导致步进电动机没有及时停止而导致的位置丢失。

伺服电机的过冲，往往是因为选型不合适，或没有做好加减速导致。

调试方法

初始化参数

在接线之前，先初始化参数。

在控制卡上：选好控制方式；将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制卡再次上电时即为此状态。

在伺服电机上：设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。比如，山洋是设置1V电压对应的转速，出厂值为500，如果你只准备让电机在1000转以下工作，那么，将这个参数设置为111。

接线

将控制卡断电，连接控制卡与伺服之间的信号线。

以下的线是必须要接的：控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。

复查接线没有错误后，电机和控制卡（以及PC）上电。此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。

用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置

试方向

对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。通过控制卡打开伺服的使能信号。这时伺服应该以一个较低的速度转动，这就是传说中的“零漂”。

一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。

确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。

如果电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。测试不要给过大的电压，建议在1V以下。

如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。

抑制零漂

在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。

使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。

由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。

建立闭环控制

再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益，至于多大算较小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制卡能允许的最小值。

将控制卡和伺服的使能信号打开。这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。

调整闭环参数

细调控制参数，确保电机按照控制卡的指令运动，这是必须要做的工作，而这部分工作，更多的是经验，这里只能从略了