伺服电机在自动控制方面的应用策略

李铁钢 温超 游鹏伟 刘涛 曲家惠

摘要：伺服电机是一类用于控制发动机转速、转角的机械设备，可以将设备运行中的电能转化为机械能，再利用机械能进行生产活动，其核心在于机械系统中的控制器，而伺服电机则成为系统控制的对象，可以将机械运动作为驱动设备，其中电力电子功率变换装置就是执行机构，在这些控制元件的构成中，电气传动自动控制系统得以完善。本文从伺服电机的主要内容进行研究，分析了伺服电机的具体应用及其应用特征。

关键词：伺服电机；自动化；机械控制

引言：近年来，从来伺服电机的应用情况就可以看出，数字化与智能化的目标是伺服电机主要的发展方向，伺服电机作为数控机床的重要组成部分，发挥着执行机构的作用，为使其更好的应用于各大数控机床生产中，企业还需要不断研究伺服电机的新技术，推动伺服电机快速进步，使之可以为数控机床的运行发挥更大的作用。

一、伺服电机的主要内容与应用特点

（一）伺服电机的主要内容

目前社会生产中常使用的伺服电机类型多以交流伺服电机为主，交流伺服电机包括转子部分和定子部分，转子部分主要研究鼠笼型转子和非磁性杯型转子两种，定子部分则主要研究定子结构和旋转变压器定子的比对，两种定子具有相似之处，都是围绕着定子铁心的结构研究，定子铁心中安装着空间互成直角的绕组，这部分结构具有较高的研究价值，正因为其中有两组绕组，所以又可以将伺服电机成为两相交流电动机。

在常用的伺服电机转子结构中，鼠笼型转子交流伺服电机的结构包括转子铁心和转轴等部分，非磁性杯型转子交流伺服电机的外定子与定子结构是基本相同的，但是内在的定子是存在差别的，内定子是由环形钢片叠合而成的，电机磁路中包括这一部分，内定子中通常没有绕组结构，只有铁心来代替鼠笼转子的作用。从目前国内的市场运行效果来看，鼠笼型转子伺服电机的应用比较广泛，非磁性杯型转子的惯量比较小、轴承部分的摩擦阻转矩比较小，转子之间并没有齿槽，所以伺服电机中的定子与转子之间不会出现齿槽粘合的情况，恒速转动时也不会出现抖动的现象。在相同体积与重量下，伺服电机的功率范围比对中，杯型转子伺服电机与鼠笼型转子伺服电机相比，前者的启动转矩比较小、输出功率也比较小，并且前者的制造工艺更加复杂，只能在运行比较平稳的场合下可以有效使用^[1]。

（二）伺服电机的应用特点

1.自身的应用特点

伺服电机属于无刷电机的类型，包括同步电机与异步电机两种形式，生产中用于运动控制的电机多数为同步电机，其运行功率较大，在高速转动的情况下，速度会随着功率的增加而降低，以达到平稳运行的状态，所以同步电机的精度控制比较好，可以在低速运行状态下输出最大的转矩，响应也更加快速^[2]。

2.与其他电动机相比

交流伺服电机要比步型电机的性能更加出色，但在一些工作环境比较特殊的生产中却不适合应用，所以还是需要在特殊条件下选择步型电机来用于执行操作，但这并不影响伺服电机的广泛应用，二者相比，交流伺服电机的应用优势依然非常明显。第一，二者在控制精度上，交流伺服电机的控制精度具有一定的保证，来自于电机轴后端的旋转编码器，但是两相的步型电机距角则为3.6°或者18°，五相混合式步型电机距角为0.72°和0.36°。第二，二者的低频特性不同，步型电机容易在低速运行中发生低频振动的情况，这是步型电机的工作原理造成的，但是低频振动的现象对电机运行并不会产生负面影响。

伺服电机的运行则比较平稳，即便是在很低的转速状态中，也能够保持非常好的平衡感，因为交流伺服电机的系统中具备共振抑制的功能，内部具备频率解析功能，机械运动在达到共振点以后，系统会自动的调整。除此以外，交流伺服电机与步行电机相比，还具有矩频特性及过载能力等方面的不同之处，企业在选择伺服电机时，要考虑综合方面的要求，选择恰当的伺服电机用于生产。

二、伺服电机在自动控制方面的应用

（一）数控系统中选择伺服电机的要求

交流伺服电机的选择要先确定电机工作点的力矩要求，并且要考虑到这一力矩要求下的电机额定转速的具体值，再将这些作为根据来考虑电机的具体标准。电机的额定转速与力矩将决定其输出功率，而完全相同的电机因为转速和力矩的不同，所以输出功率也不同，力矩较大且转速较高的电机功率比较大，所以电流也比较大。同一台电机的负载转速与负载力矩成反比的状态时，随着负载力矩的增加，伺服电机的转速也将逐渐降低。如果伺服电机所带的负载力矩与电机的额定力矩相同，处于力矩工作之下时，电机的运行会处于最高效率点的临界值，如果负载力矩大于伺服电机的额定力矩，则电机会处于超负荷的状态下，会严重影响到电机的使用寿命。因此，企业在选择交流伺服电机时，需要考虑到以下几方面因素，比如负载曲线是否处于电机转矩极限曲线的下方位置；负载曲线是否小于伺服电机的额定转速等，伺服电机工作的惯量比应处于5-10倍之中，最佳的惯量匹配的比值为1

^[3]。

（二）数控系统中伺服电机的应用实例

在大型铣镗床中应用的交流伺服电机系统，大型、重型的落地式数控铣镗床属于机电一体化的技术性产品，性能方面要满足多轴控制联动的要求，能够加工出复杂曲面的大型共建，可以生产工业中的高精度、高性能重要装备。国内这类设备还是依赖进口，如果能够在保证设备应用性能的前提下完成国产自主研发，就能够帮助国内的企业节省许多成本，打破国外在伺服电机生产技术方面的垄断，才能真实的推进我国工业的发展。在实际选择伺服电机时，企业要考虑伺服电机的性能方面要求，比如伺服电机在带载调速过程中，必须要保持平稳输出，在负载大范围波动的情况下，保证运速的平稳。

如时光科技的交流伺服电机就是应用全数字化技术，其控制精度的标准可以达到0.01-0.02Hz，特殊要求下还可以达到0.0025Hz，与变频器相比，伺服电机的速度曲线是成线性状态的，可以在频繁的起、停状态下连续切换并且不会产生波动，伺服电机系统具有较好的超载特性，铭牌额定转速下可以达到300%的额定转矩输出，与一般的变频器工作曲线具有明显的不同，使其在重载加工状态下依然可以保持平稳的运行状态。如表1所示，伺服电机的转速和转矩的解耦独立控制达到以下参数指标。时光科技的交流伺服电机在实际应用中，速度控制平稳运行的特性非常显著，为其创造了较为广阔的应用前景^[4]。

主要参数	镗轴	滑枕	立柱	主轴箱
行程（m）	1.2	1.2	6	3
电机功率（kW）	7.5	7.5	15	15
最低直线速度（mm）	0.6	0.9	1.5	1.5

表1.伺服电机系统达到的主要指标参数（参考）

结束语：在新时代的发展中，伺服电机属于新技术产品，是科技发展衍生出的新设备，可以在现代社会的生产中用于自动化数控机床控制中，随着国内制造业的发展，伺服电机的技术升级速度越来越快，融合计算机技术、微电子技术等内容以后，伺服电机在自动控制中的应用功能性会更强，控制理论为伺服电机的升级提供了核心理论的支撑，扩大了伺服电机的升级空间，也使得伺服电机驱动技术在加工业和制造业的生产中拥有更好的发展时机。

参考文献：

[1]张德田,艾建军,曹丽苹.伺服电机在自动攻丝机工作台控制中的应用[J].湖北农机化,2020(07):150-151.

[2]罗睿.基于伺服电机控制的γ射线探伤机自动控制仪的设计[J].现代制造技术与装备,2019(12):84-86.

[3]胡橙.浅论伺服电机在自动控制系统中的运用[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2019(05):205.

[4]刘扬.浅析伺服电机在自动控制系统中的应用[J].科技视界,2018(18):75+150.