一文读懂伺服电机的工作原理、分类及其与步进电机的区别

伺服电机又称伺服电动机，是在伺服系统中用于控制机械元件精确运转的发动机，是一种辅助的马达间接变速装置。它的核心功能是将接收到的电信号转换为电动机轴上的角速度输出或角位移输出，从而实现对位置、速度或转矩的高精度控制。伺服电机因其高精度、响应迅速、适应性强、稳定性好等特点，被广泛应用于需要精密控制的设备中，例如机床、印刷设备、包装设备、纺织机械、激光加工设备、机器人技术、以及自动化生产线等领域。

伺服电机系统通常包括伺服驱动器、伺服电机本身和编码器（或传感器）。控制器发出指令给伺服驱动器，驱动器根据指令调整电流来驱动电机，同时编码器不断地向驱动器或控制器反馈电机的实际运动位置或速度信息，形成闭环控制，确保电机的输出严格跟随控制信号的变化，实现精准控制。伺服电机可分为直流和交流两大类，两者各有特点，但共同之处在于都能提供精准的运动控制能力。

伺服电机的主要功能

1、伺服电机又称为执行电机、行驶控制电机。

2、在自动控制系统中，伺服电机是执行元件。其作用是将信号，即控制电压或相位，转换成机械位移，即将接收到的电信号转换成电机一定的速度或角位移。

3、伺服电机内部转子材料采用永磁体。驱动器控制的U/V/W三相电可形成电磁场，转子在该磁场的作用下旋转。同时，电机自身尾部编码器将反馈信号传输给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，随时调整转子的旋转角度。

4、伺服电机的精度取决于编码器的精度，即线数。

5、伺服电机的控制方法如下：用户通过将其转换为相应的三相电输出进行控制来控制伺服驱动器。

6、伺服驱动器有位置、速度、扭矩控制三种控制方式。

伺服电机的分类

伺服电机的类型：交流伺服电机和直流伺服电机。

直流伺服电机

直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动扭矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（更换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的一般工业和民用场合。

无刷电机体积小、重量轻、出力大、响应快、转速高、惯量小、扭矩稳定、转动平稳、控制复杂、智能化、电子换向灵活、可换向采用方波或正弦波，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低，寿命长，适合各种环境。

交流伺服电机

交流伺服电机的基本结构与交流感应电机（异步电机）类似。定子上有两个相空间位移90°的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，连接恒定的交流电压，对Wc施加交流电压或相变来控制电机的运行。发动机。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步电机和异步电机。目前运动控制中普遍采用同步电机。功率范围大，功率可以大，惯性大，最高转速低，转速随功率增大而增大。匀速下降，适用于低速稳定运行的场合。

直流伺服电机的优缺点

优点：速度控制精确，扭矩-速度特性非常硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。

缺点：电刷换向、限速、附加阻力、产生磨损颗粒（不适合无尘、易爆环境）。

直流伺服电机的基本结构与一般直流电机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，其中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通量，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ可以控制直流伺服电机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁直流伺服电机中，励磁绕组由永磁体代替，磁通φ是恒定的。 。直流伺服电机具有良好的线性调节特性和快速的时间响应。

交流伺服电机的优缺点

优点：速度控制特性好，在整个速度范围内控制平稳，几乎无振荡，效率高90%以上，发热少，高速控制，高精度位置控制（取决于编码器精度），额定运行可实现恒扭矩、低惯量、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，需要现场调整驱动器参数以确定PID参数，需要较多的连线。

伺服电机的工作原理

下面道合顺将详细阐述伺服电机的工作原理。

下图是功率运算放大器LM675构成的伺服电机控制电路，电机采用直流伺服电机。从图中可以看出，功率运放LM675采用15V供电，15V电压通过RP1加到运放LM675的同相输入端，LM675的输出电压加到输入端。伺服电机端子。电机上安装有测速信号发生器，实时检测电机的转速。事实上，测速信号发生器是发生器的一种，其输出电压与速度成正比。测速信号发生器G输出的电压经过分压电路后作为速度误差信号反馈到运算放大器的反相输入端。速度指令电位器RP1设定的电压值除以R1.R2后加到运算放大器的同相输入端，相当于参考电压。

伺服电机控制示意图

伺服电机用字母M代表伺服电机，它是驱动系统的动力源。运算放大器：由电路名称表示，即LM675，是伺服控制电路中的放大器，为伺服电机提供驱动电流。

速度指令电位器RP1：设定电路中运算放大器的参考电压，即速度设定。放大器增益调节电位器RP2：电路中使用，分别微调放大器的增益和速度反馈信号的大小。当电机负载变化时，反馈到运算放大器反相输入端的电压也随之变化，即电

当电机负载增大时，转速会降低，转速信号发生器的输出电压也会降低，从而使运算放大器反相输入端的电压降低，该电压与参考电压的差值增大，运算放大器的输出电压也会增大。相反，当负载变小、电机转速升高时，转速信号发生器的输出电压升高，加在运算放大器反相输入端的反馈电压升高，该电压与参考电压的差值减小，运算放大器的输出电压降低。电机的转速会相应降低，从而使转速自动稳定在设定值。

伺服电机与步进电机性能比较

伺服电机与步进电机

步进电机作为一种开环控制系统，与现代数字控制技术有着本质的联系。在国内数字控制系统中，步进电机被广泛使用。随着全数字交流伺服系统的出现，交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，大多数运动控制系统都采用步进电机或全数字交流伺服电机作为执行电机。两者虽然控制方式相似，但在性能和应用上却存在较大差异。现在比较一下两者的性能。

1、 控制精度

两相混合式步进电机的步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机的步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机，细分后步距角更小。例如SANYO DENKI生产的两相混合式步进电机的步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容两相、五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字交流伺服电机为例，对于标准2000线编码器的电机，由于驱动器内部采用了四倍频技术，脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于17位编码器的电机，驱动器每接收到131072个脉冲，电机旋转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，等于步进电机的脉冲当量步距角为1.8°。 1/655。

2.低频特性

步进电机在低速时容易产生低频振动。振动频率与负载情况和驱动器的性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机工作原理决定的低频振动现象，对机器的正常工作十分不利。当步进电机低速工作时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，如在电机上加阻尼器或在驱动器上采用细分技术。

交流伺服电机运行非常平稳，即使低速也不会振动。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以弥补机械刚性的不足，并且系统内部具有频率分析功能（FFT），可以检测机械的共振点，方便系统调整。

3. 矩频特性

步进电机的输出扭矩随着转速的升高而减小，在较高转速时会急剧下降，因此其最高工作转速一般为300-600RPM。交流伺服电机具有恒扭矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）内，可以输出额定扭矩，在额定转速以上，为恒功率输出。 

4、过载能力

步进电机一般不具备过载能力。交流伺服电机具有很强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和扭矩过载的能力。其最大扭矩为额定扭矩的2～3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。由于步进电机不具备这样的过载能力，为了克服这个惯性矩，往往需要选择扭矩较大的电机，而机器正常工作时不需要这么大的扭矩，所以有一个出现扭矩浪费现象。 

5、运行性能

步进电机的控制是开环控制。如果启动频率太高或负载太大，很容易丢步或失速。当速度太高时，容易造成超调。因此，为了保证其控制精度，应妥善处理。上升和减速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制。驱动器可以直接采样电机编码器的反馈信号，形成内部位置环和速度环。一般情况下，步进电机不会出现丢步或超调的现象，控制性能比较可靠。

6. 极速响应性能

步进电机从静止加速到工作速度（通常为每分钟数百转）需要200至400毫秒。交流伺服系统的加速性能良好。以三洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于需要快速启停的控制场合。

小结：交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合，常采用步进电机作为执行电机。因此，在控制系统的设计过程中，应综合考虑控制要求、成本等多种因素，选择合适的控制电机。