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原创物联网行业中的电机家族成员解密（三）_伺服电机篇

 2024-9-24 17:51  91 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用电机

物联网系统中使用电机可以提高设备的智能化水平，实现远程控制、自动化控制、故障诊断、预测维护等功能，从而提高生产效率、降低维护成本、提高生活质量。

物联网系统中的电机应用方案通常涉及到电机控制、监测和维护等方面。以下是一些常见的物联网电机应用方案：

1、智能家居：在智能家居中，物联网电机可以用于控制窗帘、窗户、门锁等设备的开关。通过物联网技术，可以实现远程控制、定时控制、场景控制等功能，提高家居的智能化水平。

2、工业自动化：在工业自动化中，物联网电机可以用于控制生产线、物流输送线等设备的运行。通过物联网技术，可以实现设备的远程监控、故障诊断、预测维护等功能，提高生产效率和降低维护成本。

3、智能交通：在智能交通中，物联网电机可以用于控制信号灯、路灯、广告牌等设备的开关。通过物联网技术，可以实现设备的远程控制、自适应控制等功能，提高交通的安全性和效率。

4、智能农业：在智能农业中，物联网电机可以用于控制灌溉系统、通风系统、遮阳系统等设备的运行。通过物联网技术，可以实现设备的远程监控、自动化控制等功能，提高农业的生产效率和降低劳动成本。

本文会为大家详解电机家族中的重要成员——伺服电机。

伺服电机的定义

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。它的作用是将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象。伺服电机中的“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思，意味着电机是“绝对服从控制信号指挥的”。具体来说，伺服电机是一种能够精确控制位置和速度的电动机，其控制系统能够跟踪并精确地控制电机的旋转位置和速度，从而满足各种应用需求。

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

伺服电机的分类

伺服电机可以根据不同的分类标准进行划分，以下是几种常见的分类方式：

控制方式：根据控制方式的不同，伺服电机可以分为位置伺服电机、速度伺服电机和扭矩伺服电机。位置伺服电机通过控制电机的位置来实现运动控制，速度伺服电机通过控制电机的转速来实现运动控制，扭矩伺服电机则通过控制电机的输出扭矩来实现运动控制。
电源类型：根据电源类型的不同，伺服电机可以分为直流伺服电机和交流伺服电机。直流伺服电机使用直流电源供电，而交流伺服电机则使用交流电源供电。
结构类型：根据结构类型的不同，伺服电机可以分为有刷直流伺服电机、无刷直流伺服电机、同步交流伺服电机和异步交流伺服电机等。有刷直流伺服电机使用电刷和换向器来换向，而无刷直流伺服电机则使用电子换向器来换向。同步交流伺服电机在转子上装有永磁体，而异步交流伺服电机则没有。

伺服电机的工作原理

在工作原理上，交流伺服电机与两相交流异步电机相同，其定子上装有两个绕组——励磁绕组和控制绕组。当励磁绕组通电后，会产生一个恒定磁场，而控制绕组通电后则会产生一个旋转磁场。这两个磁场的相互作用使得电机转子开始旋转。通过调整控制绕组的电流大小和相位，可以控制电机的转速和方向。

[飞书20240228-113007.mp4]

伺服系统则是使物体的位置、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。伺服系统通常由伺服电机、控制器、传感器等组成，广泛应用于各种自动化设备中，如数控机床、印刷机械、包装机械、纺织机械等。

总的来说，伺服电机是一种高精度、高性能的电机，具有广泛的应用前景。随着自动化技术的不断发展，伺服电机的应用领域也将不断扩大。

伺服电机的控制系统构成

一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器（负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈置）。

1、执行器的功能在于提供被控对象的动力，其构成主要包括伺服电动机和功率放大器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。

2、控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。

下图为一般工业用伺服系统的组成框图，其中红色为伺服驱动器组成部分，黄色为伺服电机组成部分。

伺服电机的反馈装置

交流伺服电动机的运行需要角度位置传感器，以确定各个时刻转子磁极相对于定子绕组转过的角度，从而控制电动机的运行。

伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用：

提供电动机定、转子之间相互位置的数据
通过角编码器测速，提供速度反馈信号
提供传动系统角位移信号，作为位置反馈信号

增量式编码器与绝对式编码器

编码器（encoder）的转轴与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动，能够将被测轴的角位移转成二进制编码或一串脉冲，对应于绝对式编码器和增量式编码器。

增量式：每转过单位的角度就发出一个脉冲信号；
绝对式：对应一圈，运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码，常以多位二进制码来表示，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

需要注意的是，绝对式编码器有单圈式和多圈式之分：

单圈绝对式仅记录1圈内位置。其光电码盘转动超过360°时，编码器回到原点，因此只能用于旋转范围360°以内的测量；

多圈绝对式记录圈数和1圈内位置。旋转圈数可由靠锂电池驱动的寄存器保存，也可采用类似钟表的齿轮结构来记忆圈数，前者被称作“假绝对”，后者则被称之为“真绝对”。多圈绝对式对圈数存在限制，超出时将产生多圈计数溢出故障（部分伺服产品支持模数模式，则可能对该故障进行屏蔽）。多圈绝对式可作为单圈绝对式使用。

绝对式编码器最重要的特点在于具备掉电保持功能，即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的绝对编码数据，且掉电时即使对轴进行移动，相关值也将被记录，但对移动的圈数但存在限制。

单圈绝对式编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失；多圈绝对式编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。从这一角度来说，若搭载单圈绝对式编码器的伺服电机所驱动的机构其行程若超过一圈，则实质效果同增量式编码器无异（都记不住位置）。

编码器和电流环没有任何联系，它的采样来自于电机的转动。

编码器相关名词介绍

编码器线数

即增量式码盘刻线数，其值等于编码器一转所发出的脉冲数，例如2500线表示转一圈需要发送2500个脉冲。这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的，且与电机自带编码器参数相关。

严格来讲，伺服电机一转所需上位机发送脉冲数与编码器线数和电子齿轮比有关。

编码器位数

其概念来源于绝对式编码器，例如17位（17B）、20位（20B）等，其数值含义见下：

摘自台达PPT，千万注意160000p/r和2^17之间的区别，依据型号不同，一圈所需脉冲数可能为前者，也可能是后者。

p/s or pps : pluse per second 秒脉冲

p/r or ppr : pulse per revolution 每转所需脉冲数

编码器的ABZ相

A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压，三相脉冲各自独立，A相和B相脉冲量相等，但是A相和B相之间存在一个90°（电气角的一周期为360°）的电气角相位差，可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转，正转时，A相超前B相90°先进行相位输出，反转时，B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。

编码器线制：

是与编码器线数完全不同的概念，指编码器接线数，如下图为5线制编码器接线图：

倍频

方波输出有两种，单相编码器输出一相脉冲，正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲（在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿）。

编码器计数的时候可以只记上升沿（无倍频），单相脉冲记上升沿和下降沿（2倍频）；正交脉冲记所有上升沿就是2倍频，记所有上升和下降沿就是4倍频（方波最多只能做到4倍频）。

以正交编码器为例，4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断，也可以用逻辑来做，0代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是0 0，0 1，1 1，1 0 。这种判断不仅可以4倍频，还可以判断移动方向。

从经济性来讲，采用倍频电路可以有效提高分辨率，而不增加旋转编码器的光栅数，从而减少旋转编码器的制作难度和成本。

注意：只有增量式编码器具备倍频功能。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。

举例：如果电机装了一个2500线编码器，则在不倍频的情况下，电机每转一圈可输出2500个脉冲；如果经过4倍频电路处理，则可以得到一圈10000个脉冲的输出，电机一圈为360°，所以每个脉冲代表的位置为360°/10000，相比360°/2500, 分辨率提高4倍。

需要注意的是，四倍频2500线增量式编码器转一圈同样需要输入10000个脉冲。

电机刚性与负载惯量比

电机刚性

电机刚性（与柔性相对，刚性亦称作硬度）就是电机轴抗外界力矩干扰的能力，即电机转子的自锁能力。在伺服设置中，可以设定刚性等级，通常根据惯量比以及传动连接方式大致估测。

刚性与响应速度有关，一般情况下，刚性高的机械可通过提高伺服增益来提高响应性能：刚性越强，对应的速度环增益越大，其响应速度也越高，但是过高容易让电机产生共振，无法提高响应性能，其现象为：在定位命令结束后，即使电机本身已经接近静止，机械传动端仍会出现持续摆动。因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机械以避免机械共振。注意这里的机械刚性指机械的动态刚性，即机床抵抗受迫振动的能力大小。

在伺服应用中，用联轴器来连接电机和负载，就是刚性连接；而用同步带或者皮带来连接电机和负载，就是柔性连接。

从控制器角度看的话，刚性其实是速度环、位置环和时间积分常数组合成的一个参数组，它的大小决定机械的一个响应速度。

响应时间：

电气系统的响应时间，即给定一个位置、速度、转矩指令，到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。

对响应速度和刚性关系的具体解释：

在位置模式下，用力让电机偏转，如果伺服系统的响应速度够快，当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力，则电机偏转角度较小，说明伺服系统刚性较强。

机械共振

机床上的振动可以视为共振。所谓共振就是机床的固有频率与振源的频率相等。在机床系统中，振源就是伺服电动机。当伺服电动机的运行频率与机床机械系统的固有频率相等时，就发生共振。

消振即消除机械共振，消振的方法就是使伺服电动机的运行频率避开机床系统的固有频率。避开的方法就是使用各种滤波器过滤掉共振频率，如陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器等，使伺服电动机以非共振频率工作。

转动惯量与转矩的关系

惯性是物体的一种固有属性，惯量是惯性大小的量度。对于绕轴旋转的刚体，其惯性量度称为转动惯量，单位为kg·m²。对于一个质点，其转动惯量公式为：I=m*r^2

式中：I：转动惯量；M：质量；r：质点和转轴的垂直距离

转动惯量与转矩（Nm）存在对应关系，用公式表达为：M = I* β

式中：M：转矩；I：转动惯量；β：加速度

由上式可知计算所需电机转矩时需要参考运动轴的转动惯量。计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。

任何旋转物体均有惯量存在，惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量，才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速，必定是电机输出转矩不符合负载的需求，须加大电机的输出转矩。

关于力矩、转矩和扭矩

力矩：力对刚体转动的影响，不仅与力的大小和方向有关，还与力相对于转矩的位置有关，为了描述力对刚体转动的作用，需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。
转矩：转矩即转动力矩，一般指旋转的物体所受到的力矩。
扭矩：任何元件在转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形，因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩，简称扭矩。

负载惯量比

负载惯量比是负载惯量与伺服电动机轴惯量之比的简称。

电机惯量指的是转子本身的惯量（即转动惯量，只跟转动半径和物体质量有关），分为大、中、小惯量，从响应角度来讲，电机的转子惯量应小为好；从负载角度来看，电机的转子惯量越大越好。

负载惯量由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到电机轴上的惯量组成（即机械负载总惯量）。适用负载惯量通常小于伺服电机惯量的 5 倍，一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍，可以认为惯量较大。

负载惯量比 = 负载惯量 / 电机惯量负载惯量比 = 负载惯量 / 电机惯量负载惯量比=负载惯量/电机惯量

电机刚性与负载惯量比之间的关系

负载的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大，两者呈反比，负载惯量比越大，伺服允许的刚性等级越低。固定增益下，伺服刚性相对转动惯量比过高时，易引起机械共振；反之则电机响应速度迟钝。为此需要做到惯量匹配，即设置合适的负载惯量比。一般是要调控制器增益改变系统响应，进而达到惯量匹配；也可以选用刚性较高的机台以避免机械共振（机台具有的容许响应频率）。

在伺服设定时，用户可自行选择刚性等级，伺服驱动器将自动产生一组匹配的增益参数，满足快速性与稳定性的需要，其前置条件为已正确获得负载惯量比。

1~50Hz：低刚性，低响应
51~250Hz：中刚性，中响应
251~550Hz：高刚性，高响应

伺服电机与其他电机的区别

1、伺服电动机与普通电动机的区别

普通电动机（有刷）多运行于开环控制，伺服电动机运行于闭环控制。
伺服电动机动态性高
伺服电动机启动转矩大、调速范围宽
伺服电动机结构紧凑
伺服电动机定子散热方便

2、伺服电动机与舵机的区别

舵机相当于简化版的完整的伺服系统。
伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环；舵机只检测位置环（一般用电位器）。

3、伺服电动机与步进电动机的区别

伺服电机与步进电机区别有以下几个方面：

控制方式：伺服电机通过控制脉冲时间的长短来控制转动角度，而步进电机则是通过控制脉冲的个数来控制转动角度。此外，伺服电机通常是由电机本体、驱动器和编码器三部分组成，形成一个闭环控制，而步进电机则没有编码器，属于开环控制。
工作流程：步进电机工作一般需要两个脉冲，即信号脉冲和方向脉冲，而伺服电机则只需一个电源连接开关即可工作。步进电机只能接受脉冲信号，而伺服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号
低频特性：步进电机在低速时容易出现低频振动现象，而伺服电机则运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
矩频特性：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，在较高转速时会急剧下降，因此其最高工作转速一般在300～600r/min范围内。而伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内，输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
过载能力：步进电机一般不具有过载能力，而伺服电机则具有较强的过载能力，通常可以承载额定扭矩的1-3倍。
速度响应：步进电机的速度响应比较慢，通常在200-400毫秒范围内，而伺服电机的速度响应非常快，一般在10毫秒以内。
效率：步进电机的效率通常在60%左右，而伺服电机的效率则可以达到80%左右。

综上所述，伺服电机和步进电机在控制方式、工作流程、低频特性、矩频特性、过载能力、速度响应和效率等方面都存在明显的区别。这些区别使得伺服电机和步进电机在应用中各有优劣，需要根据具体的应用场景来选择合适的电机类型。

伺服电机和步进电机常被搞混，二者外形相似，区别点在于伺服电机尾部的反馈装置；此外步进电机一般都是一个引出线端，伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端（编码线和动力线）。

伺服电机的选型

伺服电机的选型参数主要包括以下几个方面：

1、电压和电流参数：电压和电流是伺服电机的重要参数，直接影响电机的运行性能和功率。一般来说，电压越高，电机的功率越大，转速也越快。电流越大，电机的转矩越大，但同时也要注意电流过大会导致电机发热，影响电机的使用寿命。

2、功率参数：伺服电机的功率参数是反映电机实际性能的重要参数。选择伺服电机时，需要确保电机的功率能够轻松承受实际使用的负载，以保证电机的正常运行。

3、转速范围参数：伺服电机的转速范围参数指定了电机的最低转速和最高转速，是选择伺服电机时需要考虑的重要因素。需要根据实际应用需求来确定所需的转速范围。

4、转矩参数：转矩参数包括最大转矩和最小转矩，是反映伺服电机负载能力的重要参数。需要根据实际应用中的负载情况来选择合适的转矩参数。

5、电机尺寸和惯量：电机的尺寸和惯量也会影响电机的性能和选型。一般来说，电机尺寸越大，功率和转矩也越大，但同时也要考虑电机的安装空间和实际应用需求。惯量是指电机在受到外力作用时抵抗运动变化的能力，需要根据实际应用中的运动需求来选择合适的惯量。

此外，在选择伺服电机时，还需要考虑电机的控制方式、编码器类型、通讯协议等因素，以确保电机能够满足实际应用需求。同时，也要注意参考电机供应商提供的选型手册和技术参数表，以便更准确地选择和配置伺服电机。

伺服电机的使用注意事项

伺服电机使用注意事项包括以下几个方面：

1、安装与调试：在安装伺服电机时，需要确保电机和驱动器之间的连接正确无误，避免因为接线错误导致电机无法正常工作。同时，在安装过程中要避免对电机施加过大的冲击力或振动，以免影响电机的性能和寿命。在调试过程中，需要根据电机的具体参数和控制要求进行适当的参数设置和调整，确保电机能够按照指令要求进行精确运动。

2、使用环境：伺服电机通常需要在相对干净、无尘、无腐蚀的环境中运行，以避免电机内部受到污染和损坏。同时，也要注意电机的散热问题，确保电机在运行过程中能够得到充分的散热，避免因为过热而导致电机性能下降或损坏。

3、负载要求：伺服电机在运行时需要承受一定的负载，但超载或过载都会对电机造成损害。因此，需要根据电机的具体参数和负载要求来选择合适的电机型号和驱动器，并避免在实际使用中对电机施加过大的负载。

4、维护与保养：定期对伺服电机进行维护和保养是保证电机长期稳定运行的重要措施。需要定期检查电机的运行状态和参数，及时清理电机内部的灰尘和污垢，并检查电机的紧固件是否松动。同时，也要注意电机的润滑问题，定期更换润滑油或润滑脂，以保证电机的正常运行。

5、安全防护：伺服电机在运行过程中可能会产生一定的噪音和振动，需要采取相应的安全防护措施，如加装消音器、减震器等，以减少对周围环境和人员的影响。同时，也需要注意电机的安全防护等级和接地措施，避免因电气问题导致安全事故的发生。

总之，在使用伺服电机时需要注意多个方面的问题，包括安装与调试、使用环境、负载要求、维护与保养以及安全防护等。只有在实际使用中严格按照要求进行操作和维护，才能保证伺服电机的长期稳定运行和性能发挥。

伺服电机的优劣势

伺服电机与其他电机相比，具有以下优势和劣势：

优势：

高精度控制：伺服电机通过实时调整输出的电流和位置，能够更加精准地控制位置和速度，具有较高的控制精度和稳定性。
快速响应：伺服电机的响应速度较快，能够更快地实现定位和调整，适用于需要快速动态响应的应用场景。
高扭矩：伺服电机的扭矩较大，能够承受较大的负载，适用于需要高负载能力的应用。
可控性强：伺服电机可以通过控制器实现多种控制方式和复杂的运动轨迹，具有较强的可控性和灵活性。

劣势：

成本高：伺服电机的价格较高，通常比其他类型的电机更昂贵，增加了设备制造成本。
需要专门控制器：伺服电机需要专门的控制器来实现精确控制，增加了系统的复杂性和成本。
对环境要求高：伺服电机对环境的温度、湿度等要求较高，需要在相对稳定的环境下运行，否则可能会影响其性能和稳定性。

总的来说，伺服电机具有高精度、快速响应、高扭矩和可控性强等优势，适用于需要高精度控制和复杂运动轨迹的应用场景。然而，其高成本和对环境的要求也需要注意，需要根据具体的应用需求和经济考量来选择合适的电机类型。

伺服电机的应用场景

伺服电机具有广泛的应用场景，以下是一些主要的应用领域：

工业生产：伺服电机在工业自动化领域中应用广泛，如机床、印刷设备、包装机械、食品加工设备等。它们可以提供高精度和高速的运动控制，有效提升生产效率和产品质量。
机器人技术：伺服电机是机器人技术的核心驱动装置，用于提供精确的位置和速度控制，使机器人能够完成复杂的动作和任务。
航空航天：伺服电机在航空航天领域发挥着重要作用，如飞行器的导航和控制系统，提供精确的姿态控制和稳定性。
医疗设备：伺服电机在医疗设备中也有大量应用，如手术机器人、扫描仪和X射线机等，用于实现精确的动作和图像重建。
汽车工业：伺服电机在汽车工业中广泛应用于发动机控制、转向系统、制动系统、座椅调节等部件，提供精确和可靠的控制。
微电子生产加工：在各类芯片的生产过程中，伺服电机带动的机械臂起着重要作用。
物流运输：在大型存储仓库中，伺服电机驱动的AGV车（自动导引运输车）用于货物的运输和调配。