“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思。“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機：在控制信號發出之前，轉子靜止不動；當控制信號發出時，轉子立即轉動；當控制信號消失時，轉子能即時停轉。

伺服電機是自動控制裝置中被用作執行元件的微特電機，其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

伺服電機工作原理

伺服系統（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。

有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，對使用環境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業和民用場合。

無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環境。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，其功率范圍大，功率可以做到很大，大慣量，最高轉速低，轉速隨功率增大而勻速下降，適用于低速平穩運行場合。

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器將反饋信號傳給驅動器，對反饋值與目標值進行比較，從而調整轉子轉動的角度，伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

伺服電機的分類

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類。

交流伺服電機的基本構造與交流感應電動機（異步電機）相似。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電機運行的目的。

交流伺服電機具有運行穩定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

直流伺服電機的優缺點

優點：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒(無塵易爆環境不宜)。

直流伺服電機基本構造與一般直流電動機相似。電機轉速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，K為常數，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動機具有良好的線性調節特性及快速的時間響應。

交流伺服電機的優缺點

優點：速度控制特性良好，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運行區域內，可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護（適用于無塵、易爆環境）。

缺點：控制較復雜，驅動器參數需要現場調整PID參數確定，需要更多的連線。

伺服電機的三種控制方法

1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部bai模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小。

2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。

3、速度模式:通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制,在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位,但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號,此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速,位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了, 這樣的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差,增加整個系統的定位精度。

伺服電機的三環控制結構

伺服電機一般為三個環控制，三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。最內的PID環就是電流環，此環完全在伺服驅動器內部進行，通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調節，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，電流環就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動器的運算最小，動態響應最快。

第2環是速度環，通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節，它的環內PID輸出直接就是電流環的設定，所以速度環控制時就包含了速度環和電流環，換句話說任何模式都必須使用電流環，電流環是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流（轉矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。

第3環是位置環，它是最外環，可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建，要根據實際情況來定。由于位置控制環內部輸出就是速度環的設定，位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算，此時的系統運算量最大，動態響應速度也最慢。

審核編輯 黃昊宇

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