伺服电机的DNA

电机的应用是工业界的革命，它减少了对人力和牲畜的依赖，让我们的生活变得更加方便、舒适、安全，生产也更加高效。今天，工厂的车间到处都装满了电机，以及从电机衍生出的更先进的设备，比如伺服驱动和运动控制器。这些产品反过来提供了更多的安全性能，比如安全降速、安全停机等等。

但是尽管电机的应用遍布家电和包装机械，它最基本的功能仍然没有发生改变，就是将电能转化为机械能。其工作原理就是通过电流（或者磁场）感应产生机械力，驱动电机。第一台电力驱动设备的出现已经是200年前的事情了。

最初的这些设备距离现在的数字伺服电机技术还是相差甚远。新的技术已经将应用领域扩展到了包装机械、工厂自动化的专业机械应用当中。

伺服驱动的功能是用来采集表示伺服主轴理想输出位置的控制信号，为马达供电直到主轴到达该位置。

与生俱来

最早的伺服电机一般都是直流型的，随着高效晶体管的问世，它们才可以控制更大的电流，在更高的频率上转化大电流，这也就是交流伺服电机越来越流行的原因。

但是现在伺服电机的源头还是可以追溯到直流电机。直流电机的速度或者功率正好与“占空比”的概念吻合，即使用脉冲宽度调节（PWM）技术来控制电机的功率。

伺服电机系统同样应该能够做到这一点，而且还不仅如此，比如还可以在不出现过热的情况在速度在一定范围内变化、零速度运行、保持足够的扭矩将负载控制在某一位置、超低速长期运行不出现过热情况等等。

为了满足上述这些需求，电机的设计主要包括四个部分：马达、齿轮减少箱、位置感应设备和控制电路。它还使用三线连接（和直流电机的两线连接不同），分别用来供电、接地和控制。

采用固定功率，伺服驱动（也可以被称作放大器）装备相应的电子元件，将交流电转化为直流电驱动马达。和直流电机一样，控制信号的脉冲宽度可以调整，但是脉冲的持续时间会决定伺服电机主轴的位置。

伺服驱动的功能是用来采集表示伺服主轴理想输出位置的控制信号，为马达供电直到主轴到达该位置。接下来，伺服驱动采用位置感应设备确定轴的旋转位置，这样它就可以了解电机应该如何工作才能将轴移动指定位置。

为了避免过热情况的发生，电机还装有风扇，提供冷空气。风扇采用固定电压的电源供电，这样在任何时候，无论伺服电机的运行速度如何，风扇的速度都不会打折扣，绝大多数伺服系统都可以采用直流和交流电压供电，但是在使用交流电的时候需要非常谨慎，要保证齿轮减速箱能够从静止位置快速的移动大型负载。在电机箱体中安装编码器或者解码器也是非常明智的选择，这样可以准确的显示电机主轴的位置或者速度。

挑选原则

没有选择好伺服电机，会导致糟糕的系统性能。不幸的是，在选择伺服系统元件的时候并没有什么捷径可走，因为在当前的市场上的电机、供电传输设备和其他周边元件都有很多种类型，并且非常复杂。

然而，选择的时候最主要考虑的因素还是负载和成本问题。如果成本确定，伺服电机的负载就可以根据其速度、峰值扭矩和扭矩规格以及其齿轮排列方式确定。

这样可以简化挑选的过程，因为负载的要求可以转化为电机主轴上的负载当量，用来计算电机总的扭矩需求。

如果齿轮比已知，最大负载速度就可以转化为最大的电机速度。然而，最大的电机速度只有在做出最终选择之后才能够知晓，而对于绝大多数电机而言，最大速度上拥有的扭矩一般要小于失速扭矩。因此，在做出最终选择之前，最好需要一个反复的过程。

但是电机的性能也会受到驱动的影响，在这里必须要考虑系统的速度扭矩关系。在选择驱动的时候，应该能够为电机提供足够的电流和电压，同时满足负载峰值和扭矩的要求。

根据拇指定律，由于系统负载的变化，理想情况下一般使用最大电机速度和电机额定的峰值扭矩，而不是计算得到的系统要求。可以在最开始的时候选择最大的电机速度以及能够将最大负载速度转化为最大电机速度一半的齿轮比。

在这个步骤当中，可以在最大速度上得到几乎连续的失速扭矩，而电机可以在这个速度上可靠的运行，不需要经常进行维护，也不会由于轴失效出现故障。

然而，还有其他的约束条件决定齿轮比。其中之一就是轴的共振频率。在设计的早期必须要进行考虑，才能消除意外和负面的伺服表现。如果没有这样做，可能就会因为不必要的振动造成系统的严重破坏。