关于工业伺服电机的介绍

上一期我们大体介绍了电动汽车的电机选择和电机电流检测，本篇文章我们将着重介绍工业伺服电机。

自智能制造2025提出以来，工厂的自动化改造一直在逐步推进中，常见的比如快递中转站的分拣机器人所使用的机械臂。

使用最广泛且实用性最高的工业机器人是具有多个关节的关节机器人，相当于人类的肩膀，肘部和手腕。它的工作原理类似于具有旋转和滑动运动的人的手臂。控制器输入的信号通过执行器转换为运动，从而使机器人精确移动。工业机器人的控制系统和自动化产品主要涉及伺服电机、减速机、控制器和传感器等。伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”。

工业应用中最广泛的便是伺服电机系统。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度，目标瞄准精确一词。

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类。

直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机（异步电机）相似。如图2所示，在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组和控制绕组，接恒定交流电压，利用施加到控制绕组上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。

图 2 交流伺服电机基本构造

交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的。

机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快；伺服的精度高；另外对基础材料有加工要求。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。

伺服电机要求连续旋转运动或线性运动的速度保持恒定，或者精确控制运动的旋转角度和移动距离。伺服电机由无刷直流或交流电机，编码器和驱动器组成。根据以上要求，进行闭环控制。即：

1、为了使无刷直流电动机或交流电动机的转速保持恒定，编码器检测转速。

· 如果检测到的速度比设定的旋转速度慢，则伺服放大器控制使电动机旋转更快；

· 如果检测到的速度小于设定的旋转速度，则伺服放大器进行控制。

2、为了精确地控制电动机的旋转角，编码器检测旋转角。伺服放大器通过检查电动机是否已移动到目标旋转角来控制电动机的旋转角。

如图3所示从控制看，伺服一般是三环系统：外环位置环，内环依次为速度还和电流环。

图 3 伺服电机闭环控制

这里提到编码器一词，编码器是对旋转角度和线性位移进行编码的传感器，用于需要高精度且快速运行的设备中。编码器是将角位移（码盘测量）或者直线位移（码尺测量）的信号或数据转换为可以通讯、传输、存储的电信号形式的设备。伺服电机的控制精确度很大程度决定于编码器的精度。

按照检测类型检测旋转的编码器称为旋转编码器，检测线性位移的编码器称为线性编码器。

按照工作原理有增量式编码器和绝对值编码器。增量式编码器是将位移转换为周期性的电信号，再转为计数脉冲，用脉冲个数表示位移的大小。绝对值编码器是每一个位置对应一个确定的数字码，数值只与测量的起始位置和终止位置有关。

如图4所示为使用增量型编码器的伺服系统其中一种工作原理图。检测光是否通过安装在电机轴上旋转的码盘的径向上的缝隙的方法。光脉冲信号通过狭缝时会发生变化，并且可以通过对脉冲数进行计数来检测电机轴的旋转量。

图 4 增量编码器伺服系统的90°位相差脉冲控制

提到脉冲检测，不得不说到伺服电机控制方式有脉冲控制、模拟量控制和通讯控制三种，上图展示的即为脉冲控制的其中一种。其原理是：驱动器接收两路（A、B路）高速脉冲，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转。运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。具有差分的特点，这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式。但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。

如图表5所示，脉冲控制的形式还有两种即“正脉冲列+负脉冲列”和“脉冲+符号”。

图 5 伺服电机脉冲控制的三种方式

“正脉冲列+负脉冲列”模式下，驱动器依然接收两路高速脉冲，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态。选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行。

脉冲+符号”模式下，只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由一路方向IO信号确定。这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用少，在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。

以上是脉冲控制的电机伺服，对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标：

（1）输出电流和电压范围。它决定着电路能驱动多大功率的电机。

（2）效率。高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通入手。

（3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

（4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。

（5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

这些要求当中，第（3）、（4）点值得注意，即控制部分和驱动部分的隔离。由于驱动部分的大电流，导致微小的阻抗会被放大，由此带来的控制部分和驱动部分的参考电压压差，即地点位浮动；另外，功率电路输入端与主控电路的隔离，需要挑选合适的光耦。还有如图6所示，在功率电路部分用隔离采样运放来对相电流，母线电流和母线电压等进行采样，要注意采样输入端和输出后进入ADC部分的隔离。

图 6 电机相电流和母线电流采样图解

谈及光耦隔离控制电路和驱动电路，以PWM控制为例，即再PWM信号到达MOSFET组成的驱动电路之前，增加一个高速隔离光耦，这样不仅仅可以保证主控电路的稳定性，更可以在进行多路电机伺服时完成第一步明确的抗干扰同步保证。高速隔离光耦可以在ISOCOM的产品中进行选择。

 

当然，在一般的电机控制当中也有光耦和功率驱动输出的集成电路组合，比如ISOCOM的ICPL3120是由一个红外光发射二极管，光耦合到一个具有功率驱动输出的集成电路组成，ICPL3120非常适合于在电机控制逆变器和电源中驱动电源IGBT和电机。

ISOCOM是一家领先的高性能红外光电子器件制造商，专门从事光耦合器和光电开关的研发，ISOCOM提供一个完整而全面的光耦合器系列，便于选择各类应用场景需要的光耦。

ISOCOM光耦尤其在电力仪表、工业控制、变频器、家用电器、激光设备、医疗器械等领域被广泛使用，具有很强的稳定性。
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