伺服电机
伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的 发动
机。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信 号转化为转
矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号 控制，并能快速反
应，在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收 到的电信号转换成电动机
轴上的角位移或角速度输出。

“伺服” 一词源于希腊语“奴隶”的意思， “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。因此伺服电机指的是随时跟随命令进行动作的一种电 机，是以其工作性
质命名的。
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伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个 脉冲

对应的角度，从而实现位移。伺服本身带有编码器，具备发出脉 冲的功能，
所以伺服电机每旋转一个角度，就会发出对应数量的脉冲。 等于是把电机旋
转的详细信息反馈回去，形成闭环。这样的话，系统 就会知道发了多少脉冲
给电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能 很精准的控制电机的转动，实
现非常精准的定位。
一、伺服电机分类

1直流伺服
结构简单控制容易。但从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了 机械
换向装置，成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花 影响生产，
会产生电磁干扰。而且碳刷需要维护更换。机械换向器的 换向能力，也限制
了电动机的容量和速度。

2、交流伺服
分为永磁同步伺服电机和异步伺服电机。目前运动控制基本都用
同步电机
永磁同步伺服电机内部的转子是永磁铁， 驱动器控制的U/V/W三 相电

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形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码 器反馈信号
给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较， 调整转 子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。特点 如下：

1、 控制速度非常快，从启动到额定转速只需几毫秒；而相同情 况下异
步电机却需要几秒钟。

2、 启动扭矩大，可以带动大惯量的物体进行运动。
3、 功率密度大，相同功率范围下相比异步电机可以把体积做得 更小、
重量做得更轻。

4、 运行效率咼。
5、 可支持低速长时间运行。
6、 断电无自转现象，可快速控制停止动作。
7、 控制和响应性能比异步伺服电机高很多。

二、伺服电机计算
、电机转矩
电机转矩，简单的说，就是转动的力量的大小。也就是电机可以
发出多大的力，转矩是一种力矩，力矩在物理中的定义是：

力矩二力x力臂
机械效率:
0.9

这里的力臂就可以看成电机所带动的物体的转动半径。 如果电机
转矩太小，就带不动所要带的物体，也就是感觉电机的“劲”不够大。

假设我们是采用滚珠丝杆使工件做平行移动:

假设:
负载速度：
V
L

0.01m/s

检测物体质量：
m
j
5kg

移动块质量：
m
z
25kg

滚珠丝杆直径：
d
B
0.02m

滚珠丝杆节距：
P
B
0.01m

摩擦系数：
0.2
减速比: R=1
力矩二力x力臂
M F* L
把负载转矩转化到电机轴上的公式为:

mg
P
B
T

L
2

、负载的转动惯量
转动惯量反映出物体转动状态下的惯性：转动惯量大的物体的角
速度更难于被改变。转动惯量大的物体比惯量小的物体更难于被加
速。系统的转动惯量决定着电机的加减速时间。

转动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量 尢系
统的机械常数大，响应慢，加减速时会产生震荡，影响了伺服 精度和响应
速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利， 因此, 机械设计时在
不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。衡量机 械系统的动态特性
时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越 大，电机的负载也就越
大，越难控制，但机械系统的惯量需和电机惯 量相匹配才行。
负载惯量计算公式:
2
, P
B

J
i m —

2

T
L

mg
P
B

2
0.2 (25 5) 98 O.01 O.!O6N m

2 0.9
式中:
J1---转动惯量 m---负载质量(检测物体+载物台)
p
B
---滚珠丝杆节距

代入数据：
2
J1 30 001 7.62 10 5kg m
2

假设：
滚珠丝杆转动惯量：
J2 4 10
5kg m2

联轴节的转动惯量：
J3 3 10
5kg m2

则总的负载惯量：
JL JI J2 J3 (7.62 3 4) 10 5 1.462 10 4kg m2

选择电机时要考虑惯量匹配:
J L 5J
N
即负载惯量不大于转子转动惯量的 5倍
、负载功率
负载运行功率：
P
2 nM T
L

° 60

式中：

F°---负载运行功率 n
M

---额定转速，取3000 rpm

T
L
---

负载转矩

代入数据:
F
2 nM T
L

°
60
2 3000 °.1。6

33.3W

60
负载加速功率:

2
2 nM J
L

60 t

式中：
F
A
---

加速时的负载功率

n
M

---额定转速，取3000 rpm

J
L
---

负载的转动惯量

F
A
2

t
---加速时间，取
代入数据:
2 2
4

p
2 nM J 2 3000 1.462 10
4

A
60 t 60 0.1

、选型条件
1、 惯量匹配
J L 5 J
N

2、 转矩

TL T
N

3、 输出功率

PO P
A
预选电机的额定功率

FOP

A

144W