优化伺服电机型号与规格介绍

伺服电机（Servo Motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，是一种辅助马达间接变速装置[162]。伺服电机（外形见图2-34，结构见图2-35）是将输入的电压信号（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[163]。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[164]。

图2-34　伺服电机

图2-35　伺服电机结构示意图

1.伺服电机的工作原理

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）的任意变化的自动控制系统[165]。伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解：伺服电机接收到一个脉冲，就会旋转一个脉冲对应的角度，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，与伺服电机接收的脉冲形成了呼应，或者称为闭环[166]。如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又接收了多少脉冲回来，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的和无刷的[167]两种。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，但是需要维护，且维护不方便（换碳刷），容易产生电磁干扰，对环境要求较高[168]。因此，它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。同时电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射小，工作寿命长，可用于各种环境。

交流伺服电机和直流伺服电机在功能上存在着一定的区别，交流伺服电机采用正弦波控制，转矩脉动小[169]。直流伺服电机采用梯形波控制，转矩脉动大，但是控制比较简单，成本也更低廉[170]。

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三相电流形成电磁场，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。伺服电机的精度取决于编码器的精度（线数）[171]。

2.伺服电机的发展历史

自从德国力士乐（Rexroth）公司的Indramat分部在1978年汉诺威国际贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电机和驱动系统以后，这种新一代交流伺服技术很快就进入了实用化阶段[172]。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在着不足，尚不能完全满足运动控制的要求[173]。近年来，随着微处理器、数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制功能可完全由软件实现，相应的伺服控制系统分别称为直流伺服系统和三相永磁交流伺服系统[174]。

到目前为止，高性能的电机伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统[175]。典型的生产厂家包括德国西门子、美国科尔摩根（Kollmorgen）和日本松下及安川等公司。

日本安川电机制作所推出了一系列的小型交流伺服电机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1 000 r/min，力矩为0.25～2.8N·m），R系列适用于机器人（最高转速为3 000 r/min，力矩为0.016～0.16 N·m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 6个系列。20世纪90年代，先后开发了新的D系列和R系列。由旧系列采用矩形波驱动，8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间就形成了8个系列（功率范围为0.05～6 kW）比较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

以生产机床数控装置而著名的日本发那科（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也开发了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于响应速度要求特别快的位置伺服系统。

日本其他厂商，例如，三菱电机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所（BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。

德国力士乐公司Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号和92个规格。

德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。

德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。

美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部，生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服驱动器。后来该分部合并到AEG，恢复了Gettys名称，研制出A700全数字化的交流伺服系统。

美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括三个机座号共30个规格。

Industrial Drives是美国Kollmorgen公司的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310和BR-510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起研制出了全新系列设计的永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2 N·m，功率范围为0.54～15.7 kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列，最大连续电流55 A。其中，Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。

法国Alsthom集团在巴黎Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）交流伺服电机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。

近年日本松下公司开发的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电机有MSMA系列小惯量型，功率为0.03～5 kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率为0.75～4.5 kW，共23种规格；MHMA系列大惯量电动机的功率范围为0.5～5 kW，有7种规格。

韩国三星公司近年开发出全数字永磁交流伺服电机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率为15 W～5 kW。

3.伺服电机的选型分析

1）交流伺服电动机

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，其定子上装有两个位置互差90°的绕组[176]。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但是为了使电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性、无“自转”现象和快速响应的性能，其自身就应当具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前，应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，专门将转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2～0.3 mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内部放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此得到广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，电动机就将反转。(www.zuozong.com)

2）永磁交流伺服电动机。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的迅猛发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的进步。各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品，并不断进行完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服系统面临危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统均是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域中呈现出日新月异的发展态势。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点如下：

（1）无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养要求低；

（2）定子绕组散热比较方便；

（3）惯量小，易于提高系统响应的快速性；

（4）适应于高速大力矩工作状态；

（5）同功率下有较小的体积和重量。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多。

4.伺服电机与步进电机的性能比较

步进电机作为一种开环控制的系统与现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛[177]。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也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，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行元件[178]。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但是在使用性能和应用场合上还是存在着较大的差异[179]。下面，对二者的使用性能进行比较。

1）控制精度不同。

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°和0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°和0.36°，还有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。例如，日本三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可 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°，兼容了两相和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。以三洋公司全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2 000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8 000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131 072个脉冲电机轴转一圈，即其脉冲当量为360°/131 072=0.002 746 6°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655[180]。

2）低频特性不同。

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的1/2。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，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等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象[181]。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可以检测出机械的共振点，便于系统调整。

3）矩频特性不同。

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，并且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般为300～600 r/min[182]。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2 000 r/min或3 000 r/min）以内，都能输出额定力矩，在额定转速以上为恒功率输出[183]。

4）过载能力不同。

步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋公司交流伺服系统为例，它具有速度过载和力矩过载能力。其最大力矩为额定力矩的2～3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服惯性力矩，往往需要选取较大力矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的力矩，因而出现力矩浪费的现象[184]。

5）运行性能不同。

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大时容易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高又容易出现过冲的现象。所以为了保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠[185]。

6）速度响应性能不同。

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400 ms[186]。交流伺服系统的加速性能较好，以三洋公司400 W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3 000 r/min仅需几毫秒，可用于要求快速启、停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但是在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行元件。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的电机。

图2-36　各种舵机