伺服系统的演变与发展

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：以市场占有率划分，中国伺服系统市场呈现明显的梯次结构。同大多数高精密度的产品一样，长期以来外资品牌占据了国内伺服系统市场的大部分份额，市场占有率达77%。

直流伺服电动机结构如图4－5所示，其主要种类如下：

伺服系统的发展紧密地与伺服电动机（Servo Motor）的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有50多年的发展历史，经历了3个主要发展阶段。

第1个发展阶段为20世纪60年代以前。此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。

第2个发展阶段为20世纪60—70年代。这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

第3个发展阶段为20世纪80年代至今。这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等新型电动机。

从工业自动化部件的产品线层次来看，工业控制产品分为控制层、驱动层和执行层。伺服系统属于驱动层和执行层，包括伺服驱动和伺服电机。控制层是自动化设备的大脑，负责发出指令，产品包括控制器、一体机等；驱动层是自动化设备的中枢神经，负责指令的上传下达，将控制层的脉冲信号放大、变换、调制为控制电机的信号，产品包括变频器、伺服驱动器等；执行层是自动化设备的肌肉骨骼，负责执行指令，产品包括各类电机。

以市场占有率划分，中国伺服系统市场呈现明显的梯次结构。同大多数高精密度的产品一样，长期以来外资品牌占据了国内伺服系统市场的大部分份额，市场占有率达77%。其中，日韩系品牌占比为45%，主要以日系品牌为主，包括松下、三菱电机、安川、三洋等，这些都是老牌的日本工业自动化设备生产商，技术上都很全面，产品特点是技术和性能水平很高，比较符合中国用户的需求，同时价格也比较高。其次为欧美品牌占比22%，其中美国知名的品牌有罗克韦尔等，德国拥有西门子、施耐德等品牌。以汇川为代表的中国公司已逐步成长起来，在低端市场替代国外品牌，并逐步向高端迈进，2015年国产品牌市占率已经达到22%。

伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成机械运动（电动机轴上的角位移或角速度输出），分为直流和交流伺服电动机两大类。交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小，但直流伺服比较简单也便宜。

通常伺服电动机应符合以下基本要求：具有宽广而平滑的调速范围；具有较硬的机械特性和良好的调节特性；具有快速响应特性；空载始动电压小。

下面我们对常用伺服电机作一个简单介绍。

（1）直流伺服电动机

直流伺服电动机结构如图4－5所示，其主要种类如下：

图4－5　直流伺服电动机结构示意图

1—定子；2—机壳；3—电刷（正极）；4—整流子；5—电刷（负极）；6—转子（电枢）

图4－5　直流伺服电动机结构示意图

1—定子；2—机壳；3—电刷（正极）；4—整流子；5—电刷（负极）；6—转子（电枢）

直流伺服电动机结构讲解

1）永磁直流伺服电动机；

2）无槽电枢直流伺服电动机；

3）空心杯电枢直流伺服电动机；

4）印刷绕组直流伺服电动机。

直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成，如图4－6所示。

直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛应用的。

（2）交流伺服电动机

交流伺服电动机主要有以下两种：

①永磁同步伺服电动机；

②两相异步交流伺服电动机。

与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器（图4－7），因而维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小，结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。因此，在伺服系统设计时，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和启、制动特性不能满足要求时，除了选择直流伺服电动机以外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。交流伺服电动机的缺点是转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。

直流伺服电动机结构讲解

1）永磁直流伺服电动机；

2）无槽电枢直流伺服电动机；

3）空心杯电枢直流伺服电动机；

4）印刷绕组直流伺服电动机。

直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成，如图4－6所示。

（2）交流伺服电动机

交流伺服电动机主要有以下两种：

①永磁同步伺服电动机；

②两相异步交流伺服电动机。

图4－6　直流伺服电动机基本结构

图4－7　交流伺服电动机实物结构示意图

1—接线盒；2—定子三相绕组；3—定子；4—转子；5—编码器

（3）步进电动机

图4－8所示为步进电动机的实物图。步进电动机，顾名思义就是一步一步走的电机。所谓“走”，就是一个脉冲信号控制下转动的角度。一般每步为1.8°，若转一圈360°，需要200步才能完成。

步进电动机主要有以下3类：

①反应式步进电动机；

②永磁式步进电动机；

③永磁感应式步进电动机。