掌握伺服电动机工作原理及松下50W MSME系列规格解析

按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的转矩、速度和位置得到灵活控制，这类电动机叫伺服电动机。

伺服电动机分为直流（较便宜）和交流（较常用，分同步和异步），有优越的控制特性、精密能力和高速表现，是电动机家族中的突出成员。其自动化应用场合，主要是一些要求比较严苛的高速、高精度、频繁加减速的移载、定位、工艺机构，如图2-94所示。

图2-94 伺服电动机的应用

1.伺服电动机的结构原理

伺服电动机比较特殊，主要靠驱动器（与电动机配套的电控器件，可触发脉冲信号）来控制：伺服电动机接收到1个脉冲，就会旋转1个对应的角度，从而实现（角）位移。因为伺服电动机也具备发出脉冲的功能，所以伺服电动机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲（反馈），这样，和伺服电动机接受的脉冲形成了呼应（即所谓的闭环控制），系统就会知道发了多少脉冲给伺服电动机，同时又收了多少脉冲回来，从而很精确地控制电动机的转动。

事实上，伺服电动机本身不能发脉冲，主要靠其内部的编码器来实现，如图2-95所示。它是一个玻璃制的圆盘（和电动机轴连接），上方印刷有能够遮住光的黑色条纹，两侧有一对光源与受光元件。圆盘转动时，遇到玻璃透明的地方光就会通过，遇到黑色条纹光就会被遮住。受光元件将光的有、无转变为电信号就成为脉冲（信号）。圆盘上条纹的密度=伺服电动机的分辨率，也即每转的脉冲数。

图2-95 伺服电动机的编码器

伺服的编码器一般采用5线制增量式（还有17位7线制绝对式编码器，分辨率为131072，不常用），出厂设置为2500脉冲/r，分辨率为10000。可以这样理解，编码器圆盘刻了2500道线，一圈分为2500份，如果通过设置驱动器的电子齿轮比为4倍频，相当于1道线对应4个反馈脉冲，转一圈，2500道线，产生10000个脉冲反馈，即0.036°/脉冲（分辨率）。

需要特别注意的是，电动机的制造精度跟控制精度不是一回事。“伺服电动机的编码器圆盘刻了2500道线”，意味着电动机的制造精度是0.144°/脉冲，而通过设置多倍频变为0.036°/脉冲，这个“微分”只是从控制上的一个精度细分技术，严格来说，并没有改变电动机本身的精度，因此也不能简单地认为转角细分越多，电动机精度越高。

为了便于读者理解，这里强化下几个重要概念。

（1）电子齿轮比 就是对伺服电动机接收到上位机的脉冲频率进行放大或者缩小，其中一个参数为分子，一个为分母。如分子大于分母就是放大，分子小于分母就是缩小。例如：上位机输入频率100Hz，电子齿轮比分子设为1，分母设为2，那么伺服电动机实际运行速度按照50Hz的脉冲来进行；上位机输入频率100Hz，电子齿轮比分子设为2，分母设为1，那么伺服电动机实际运行速度按照200Hz的脉冲来进行（伺服电动机的分辨率=（上位机）指令脉冲×电子齿轮比）。

（2）脉冲 一般指数字信号，是短时间发生的信号，就像人的脉搏一样。如果用水流形容，直流就是把水龙头一直开着淌水，脉冲就是不停地开关水龙头形成水脉冲，开关一个周期为1个脉冲，反复操作，则产生脉冲信号，如图2-96所示。它的特点是：在短持续时间内突变，随后又迅速返回其初始值，有间歇性，相对于连续信号（在整个信号周期内都有的信号），大部分脉冲信号周期内是没有信号的，靠驱动器来触发。

图2-96 脉冲信号

PLC本身是做逻辑控制的，发不了高频脉冲。它把命令发给伺服驱动器，再由后者发射脉冲到伺服电动机。

（3）分辨率 对电动机来说，指的是其最小的运转精度单元，由于伺服和步进电动机靠脉冲信号来控制，因此可认为其分辨率是电动机转一圈需要的脉冲数，或说是单个脉冲对应的角度。根据电动机的分辨率，可以折算不同工况下机构的精密能力，后者则更多用另一个概念脉冲当量来表述。

（4）脉冲当量 可以理解为电动机分辨率折算成特定工况下的精度，如图2-97所示，某个机构的电动机一圈需要发10000个脉冲，丝杠前进一个螺距（5mm），则脉冲当量为5/10000=0.0005mm/脉冲，反映了该机构电动机的精密能力（线性位移精度）。

图2-97 伺服电动机+丝杠的机构示意图

2.伺服电动机的选用

（1）伺服电动机的型号、规格 伺服电动机的代表厂商有松下、安川、三菱、台达等（不同品牌的电动机安装尺寸略有差别，例如固定400W的电动机，安川的螺纹孔是M5，而松下的则是M4），这里以松下品牌为例，其型号表达、规格见图2-98和表2-20。

表2-20 松下伺服电动机的规格

（2）伺服电动机的性能指标 伺服电动机性能主要体现在精度、速度、功率等方面，例如50W的MSME系列松下伺服电动机规格，见表2-21。

图2-98 松下伺服电动机的型号

表2-21 50W的MSME系列松下伺服电动机规格

1）分辨率。电动机本身的精度指标，具体机构的精度，则更多用脉冲当量来描述。

2）额定速度。电动机输出额定转矩时的最高转速，一般伺服电动机的额定转速为3000r/min，最高可达6000r/min，如果超过额定转速运转，电动机受驱动器的限制，转矩会大幅下降，直到停止转动。经验上，很多机构从静止到额定转速的加速时间大概要几毫秒到几百毫秒。

3）额定功率。功率是物体做功快慢的物理量，反映带负载抗过载的能力。额定功率，就是在标准工况下输出的最大功率，体现了电动机的负载能力，例如100W的伺服电动机额定输出转矩为0.32N·m，一般电子行业用的是几瓦到几千瓦。

4）额定转矩。在额定转速下的输出转矩，此时电流额定，伺服电动机的瞬时最大转矩约为额定转矩的3倍。

5）（转子）惯量。惯量是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，转动惯量越大，转动体的响应性越差，单位是kg·m²。

上述性能指标中，精度和速度比较容易把握，但是功率和惯量，则有一定的选用原则。电动机的（转子）惯量和容量是递增关系，功率越大，必然转子会越粗壮，导致其转动惯量也增加。一般来说，惯量较小，越适用于插件、装配等高速急走急停的场合，如MSMD、MSME系列；惯量较大，适用于负载惯量发生变动的机构和带传动等韧性较差的机械（如机器人、组装机械等），如MDME、MGME、MHMD等系列。从经验看，对于频繁加减速的场合，伺服电动机的负载惯量不宜大于转子惯量的5倍以上，超标了就可能会过载或过电压报警。

6）允许负载。电动机转轴在运行时所承受的径向和轴向负载，是有一定允许范围的，如图2-99所示。

（3）伺服电动机的控制模式 伺服电动机主要用于（定位）控制场合，大概有位置控制、速度控制、转矩控制等模式（比较常用的是位置控制或速度控制模式）。

图2-99 伺服电动机的径向、轴向容许负载

例如转矩控制模式，通过控制电流值可控制电动机的输出转矩。以卷扬装置的拉锁张力控制为例，如图2-100所示，卷取的滚轮半径越大时，负载转矩相对增加，伺服电动机的输出转矩相对增加；卷取途中材料切断时，负载瞬间变轻，但电动机高速回转，此时伺服电动机的输出转矩减小。

（4）伺服电动机的选用 对伺服电动机的性能规格有一些基本了解后，到了选型这步，其实已经水到渠成。首先，从定性角度看，伺服电动机一般用在定位、转矩、位置控制方面，尤其是一些高速、高精度、频繁加减速的相对高端的场合，如图2-94所示。其次，从定量角度看，主要是分析工况对电动机功率、转速、转矩、转动惯量、分辨率等指标的要求，对号入座，具体选型思路，如图2-101所示。

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图2-100 卷扬装置的拉锁张力控制

图2-101 伺服电动机的选型思路

3.伺服电动机配套减速机的选用（步进电动机也可配减速机，但使用较少）

世界上用得最多的传动方式是齿轮传动，而减速机（见图2-102）则是齿轮应用的典型组合产品（传递动力），在自动化设备上的应用十分常见（但一般不自己设计）。齿轮传动有若干段的形式，如图2-103所示，减速比的范围也很宽广，从一比几到一比几百以上都有。

图2-102 减速机的外形和内部结构

减速机几乎是伺服电动机的标配，大部分的小功率伺服电动机常常是单独采购，然后再另行配置减速机。使用减速机，主要是为了提高机构刚性、增大输出转矩、降低输出转速，有个别情况则是由于空间限制不得不用。常见的减速机品牌如图2-104所示。

图2-103 齿轮传动的减速比

a）1段减速比：z₁/z₂=10/30=1/3 b）2段减速比（z₁/z₂）×（z₃/z₄）=（10/30）×（10×20）=1/6

图2-104 常见的减速机品牌

根据安装结构，减速机的分类如图2-105所示。

图2-105 减速机的分类

减速机的选型学习，需要先了解相关的技术要点。图2-106所示为某减速机厂商的产品型号表达（各家厂商大同小异），主要包含了负载规格、减速段数、减速比、背隙、输出轴型式、匹配电动机等信息；某款型号的减速机规格参数见表2-22，需要确认的参数主要有瞬间最大输出转矩、减速比、额定输入转速、径向和轴向负荷力、背隙、转动惯量等。

图2-106 减速机的型号表达

表2-22 某品牌的某款减速机规格参数

（续）

减速机的选型流程，如图2-107所示。

1）根据i=实际负载/电动机输出力，或者根据传动比=电动机转速/工作转速，算出减速比i。

图2-107 减速机的选型流程

2）动力方面，应满足加减速转矩T_m＜减速机的最大输出转矩，T_m=电动机最大输出转矩T_max×减速比i×传动效率η×负载系数K_s，其中过载系数K_s的取值见表2-23，如不足则选大一些的型号。

表2-23 减速机的过载系数

3）计算平均转速n_2m，减速机的额定输入转速为n₁，输出转速n₂=n₁/i，应满足n_2m＜n₂。减速机工作端的运动模式如图2-108所示。

图2-108 减速机工作端的运动模式

则有

4）依实际工况计算轴向、径向负载（见图2-109），核对减速机参数，如不足则选大一些的型号。

5）依机构空间布局确定安装方向（水平轴还是直交轴），确认精度是否足够（背隙值），转动惯量是多大……

由于减速机和电动机是成对使用的，如400W的松下MHMD042P1U，可以配新宝VRSF-S9C-400-T1，因此具体开展选型工作时，也可先查阅厂商型录的速配表，见表2-24。例如电动机是400W，减速比为1/5，则该厂商的该系列的减速机有DS060和DS090两个规格可选，通过计算分析进行校核确认DS060是否满足工况要求，如果不行则换DS090。需要注意的是，减速机换了，则电动机也要进行相应变更，因为两者螺纹孔位置和大小是匹配的。

图2-109 减速机轴端径向负载

表2-24 某减速机品牌的伺服电动机速配表