伺服电机原理

伺服电机

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。伺服电机可使控制速度，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、始动电压等特性，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。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。

工作原理

1、伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、

伺服电机

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。直流伺服电机分为有刷

步进电机的发展、应用和种类简

介

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电机依其构造上的差异可分为三大类： （下图一） ? 可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其

转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。

? 永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转

子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 ? 混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步

进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（图

步进电机的发展、应用和种类简

介

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电机依其构造上的差异可分为三大类： （下图一） ? 可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其

转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。

? 永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转

子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 ? 混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步

进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（图

永磁交流伺服电机原理

近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步 ，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。无刷式伺服 电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服 电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。

无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服 电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光

FANUC 伺服电机规格一览表

（β、βis、 αC、α、αCi、

电 气 室

2003-8-30

αi系列）

FANUC AC SERVO MOTOR aC series DESCRIPTIONS

Ⅰ. TYPES OF MOTORS AND DESIGNATION

Models A06B-01□□-B☆ ○○ aC3/2000 and aC6/2000 □□

21 : Model aC3/2000 26 : Model aC6/2000

☆

0 : Taper shaft (standard)

1 : Taper shaft with the brake(8Nm) 5 : Straight shaft

6 : Straight shaft with the brake(8Nm)

○○ 75 : With the pulse coder aA64

77 : With th

研 发 部

伺服电机选型技术指南

1、机电领域中伺服电机的选择原则

现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。

各种电机的T-?曲线

（1）传统的选择方法

这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度?(t)，角加速度?(t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然。电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。用?峰值，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限=?峰值，最大/?峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，

研 发 部

伺服电机选型技术指南

1、机电领域中伺服电机的选择原则

现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。

各种电机的T-?曲线

（1）传统的选择方法

这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度?(t)，角加速度?(t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然。电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。用?峰值，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限=?峰值，最大/?峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，

伺服电机驱动方案介绍富昌电子伺服电机驱动方案的简单介绍 1.处理器：Freescale Cortex-M4,K10/K60系列 Freescale DSC 56F84XX系列 2.驱动器：采用Infineon的PIM:XXXXX 输入380VAC,输出功率：10~15KW,可以与BYD的功率模块pintopin兼容 3.方案由主控板和驱动板通过扣板方式连接组成，主控板可以根据不同的需要做相应的更换，如 更换为K60,K10,56F84XX,MCP dsPIC,甚至TI DSP等； 4.主要技术指标： 输出功率：10KW~15KW 转速：5000 转速精度： 0.1% 转速比：100 扭矩： 编码器精度：12bit 电流传感器精度：0.2% 电机类型：PMSM,BLDC 5.只要更换驱动板，就可以支持不同功率等级的伺服电机； 6.只实现最基本的伺服电机控制功能，不针对于某个领域，当应用在某个专用方向时，需要配合 相应的上位机软件调试新的功能； 7.富昌电子竞争优势：提供贴近用户需求的整体解决方案，甚至是定制方案，为客户提供第二设 计方案，可以满足60%以上的中低端应用

MCU platform: Low-end:8bit~32bit,from S

步进电机和伺服电机的比较

王勇

（陕西渭河煤化工集团有限责任公司）

３步进电机和伺服电机在造型时的比较３．１步进电机在造型时的要点

３．１．１选择保持转矩保持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。由于步进电机低速运转时的力矩接近保持转矩，而步进电机的力矩随着速度的增大而快速衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以说保持转矩是衡量步进电机负载能力最重要的参数之一。

３．１－２选择相数两相步进电机成本低，步距角最少１．８度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合ｉ三相步进电机步距角最少１．５度，振动比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之３０至５０，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合；５相步进电机步距角更小，低速性能好于３相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场合。

３．１．３选择电机应遵循先选电机后选驱动器原则，先明确负载特性，再通过比较不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机；精度要求高时，应采用机械减速装置，以使电机工作在效率最高、噪音最低的状态：避免使电机工作在振动区，如若必须则通过改变电压、电

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机安设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到高速的目的。

伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。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）也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功能，它每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，步进电机是开环控制。

步进电机和伺服电机的区别在于：1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻