伺服电机的工作原理及分类

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的电动机，是一种补助马达的间接变速装置[23]。伺服电机（其外形见图2-8，其结构见图2-9）是将输入的电压信号（即控制电压）转换为转矩和转速以驱动控制对象。其转子的转速受输入信号的控制，并能快速反应，在自动控制系统中通常用作执行元件，具有机电时间常数小、线性度高等优点。伺服电机能够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。伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类，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。

图2-8　伺服电机

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图2-9　伺服电机结构示意图

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）而相应变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲实现定位，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[24]。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，和伺服电机接收的脉冲形成了呼应，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，于是能够十分精确地控制电机的转动，从而实现准确的定位，其定位精度可达0.001 mm。

直流伺服电机可分为有刷伺服电机和无刷伺服电机。有刷伺服电机的结构简单、成本低廉、启动转矩大、调速范围宽、控制容易、维护方便（换碳刷），但工作时容易产生电磁干扰，对环境也有一定的要求[25]。因此它比较适合用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷伺服电机体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、寿命长、转动平滑、转矩稳定、容易实现智能化，其电子换相方式十分灵活，可以实现方波换相或正弦波换相，而且电机免维护、效率高、运行温度低、电磁辐射小，适合用于各种环境。其不足之处是控制稍嫌复杂。交流伺服电机也是无刷电机，可分为同步和异步电机。目前一般应用场合都采用同步电机，它的功率范围大，可以达到很大的功率[26]。由于该类型电机运动惯量大、最高转速低，且随着功率增大而转速降低，因而适合在要求低速平稳运行的场合应用。

伺服电机内部的转子采用永磁铁制成，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[27]。机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电机和直流伺服电机在功能上存在一定区别，交流伺服电机采用正弦波控制，转矩脉动小[28]。直流伺服电机采用梯形波控制，转矩脉动大，但控制比较简单，成本也更低廉[29]。