伺服电机控制的概述和详细功能

伺服电机用于生产机器、工业机器人和工具机，所有这些应用的特点是运动是高度动态执行的，以便快速制造工件或产品。伺服电机的使用也是因为其控制精度高，因为位置和速度的精度直接影响到工件的质量。

伺服电机的优势

伺服电机是交流电机，所以可以是感应电机也可以是同步电机，当然也包括无刷直流（BLDC）电机。通常使用带有永磁体的同步电机。因为与具有相同尺寸和较低相电流的感应电动机相比，它们可以在较低速度范围内产生更高的扭矩。例如，由于扭矩更高，机器人可以更快地将包裹从 A 移动到 B。也经常有人谈论直流伺服电机，但这些通常也只是无刷直流伺服电机，所以基本上是 无刷直流电机。还有用于遥控汽车、船只和飞机的 RC 伺服系统，但这些通常只包含一个简单的直流电机。

伺服电机驱动系统

伺服电机始终是电气伺服驱动系统的一部分，该系统由伺服电机、逆变器和位置传感器组成。逆变器通常也称为电力电子、伺服控制器或简称为控制器。为了非常准确地控制位置和速度，位置传感器具有很高的精度。相比之下，用于风扇或水泵的电动机只有霍尔传感器，甚至可以在没有传感器的情况下运行。通常，驱动系统还包括齿轮箱，以增加扭矩或将旋转运动转换为平移运动。

设计伺服电机

伺服电机与水泵用电机或电动汽车用电机有什么区别？为了控制速度和位置，需要高扭矩精度，这最好通过转子上的外部磁铁来实现，带外部磁铁的电动机也称为 SPMSM。磁铁也经常彼此略微倾斜，以使扭矩曲线更平滑，从而提高平滑的速度控制。为了实现良好的转矩控制，转子中使用了许多磁极，这使反电动势在每转时产生更多的正弦振荡，从而减少了转矩波动。更多的磁极具有增加电机扭矩密度的额外优势，从而改善其动态响应。

由于伺服电机以交流模式运行，因此它们仅在极少数情况下具有风扇或水冷。额外的冷却会增加功率密度，但不会增加扭矩密度，这对伺服电机来说更为重要。相反，伺服电机只有散热片。后部是位置传感器，可以是光学的、磁性的或电感式的。由于传感器安装在伺服电机的背面，伺服电机通常看起来有两个连接器，但第二个连接器通常只是传感器的插头插座。还有伺服驱动器，其中逆变器直接安装在电机外壳顶部或传感器后面，然而，这种伺服驱动器通常用于较低功率。

伺服电机的控制

伺服电机与水泵电机并没有太大区别，由于磁极较多，不仅需要分辨率高的传感器，还需要对传感器信号处理速度极快、控制效果好的伺服控制器。伺服电机的控制由级联控制器完成。在外部级联中，位置受到控制，设定位置可以通过总线系统或通过变频器或伺服控制器的模拟输入来自PLC控制。在中间级联中，速度受到控制，必须比控制位置快。伺服电机的实际速度是根据位置信号的一阶导数计算得出的。电流在底部级联中控制。通常为此使用FOC，这使得使用简单的PID控制器控制交流电成为可能。