了解技術以及如何選擇這些技術
100年前伺服電機的發(fā)明，讓精準控制成為現(xiàn)實。從工廠機械臂到手術機器人，從無人機到數(shù)控機床，到處都有它的身影。但技術發(fā)展到今天，伺服電機種類繁多，選擇成了難題。有刷直流永磁電機結構簡單好控制，無刷直流電機運行安靜壽命長，交流永磁電機則是工業(yè)界的主力軍。每種電機都有自己的特長，關鍵是找到適合你的那一個。今天我們就來聊聊這三種電機的優(yōu)缺點，幫你做出明智的選擇。
有刷直流永磁伺服電機
起源于20 世紀 80 年代開發(fā)的伺服電機技術于 1926 年問世，使用有刷直流電機，這一概念可追溯到 1832 年。目前常用的設計是在定子上安裝永磁鐵，在轉子疊片上纏繞銅線圈，并使用轉速計等實時反饋裝置來實現(xiàn)伺服驅動。
伺服驅動器可對反饋信號進行解讀，并以各種寬度的脈沖調制為電機提供電壓，這一過程稱為脈沖寬度調制。這些脈沖通過由很多銅條組成的旋轉開關（換向器）實現(xiàn)換向，換向器與石墨等導電材料制成的固定電刷接觸，將脈沖輸送到轉子線圈的多個相位。
當線圈依次切換時，會產生一個旋轉磁場，該磁場與永久磁鐵相互作用，進而使轉子旋轉。基于速度反饋裝置提供的數(shù)據(jù)，驅動器可利用脈沖寬度調制來持續(xù)修正任何誤差。例如，即便電機驅動的負載不斷變化，也能確保轉子保持穩(wěn)定的轉速和準確的定位。
優(yōu)點
■ 初始成本較低，但使用壽命短可能會抵消這一優(yōu)勢。
■ 啟動和低速運作時扭矩大。
■ 電機控制系統(tǒng)相對簡單。
潛在提升點
■ 磨損的電刷需要定期更換。
■ 磨損的換向器需要返修、更換新軸承甚至更換電機。
■ 物理換向限制了功率傳輸，如果超額工作，可能會導致電弧。
無刷直流電機 (BLDC)
無刷直流電機于 20 世紀 60 年代問世，半導體電子技術的進步使其成為可能。早期的無刷直流電機功率較低，但隨著大功率永磁材料的日益普及，無刷直流電機在 20 世紀 80 年代開始嶄露頭角。如今，相比有刷直流伺服電機，這些電機在工業(yè)應用中的用途更為普遍。
由于沒有物理電刷與旋轉的換向器接觸，無刷直流電機的基本設計與有刷電機相比得到了改善，進而提高了效率和性能。其電樞線圈纏繞在定子/機架上的槽形疊片上，而永磁體則固定在轉子上。
編碼器等反饋裝置會不斷向驅動器報告轉子的位置，驅動器則會直接切換輸送到線圈的直流電壓，以糾正任何旋轉誤差，進而實現(xiàn)所需的轉向、速度和位置。這種電子切換以粗略模仿正弦波的步進方式進行。在任何指定的旋轉點，電流都會施加到兩相上，第三相則始終處于斷電狀態(tài)。
這種階梯狀波形會產生扭矩紋波，而永磁轉子和定子齒形鋼疊片之間的吸引力則會產生齒槽效應。這些特性妨礙了低速時的精確控制和平穩(wěn)運行，但在高速時卻很少出現(xiàn)問題。沒有定子齒的無槽電機消除了齒槽效應，但低速平穩(wěn)運行的代價是扭矩顯著降低。
優(yōu)點
■ 在中高速運行時，閉環(huán)控制精確、反應靈敏。
■ 無物理換向意味著更長的使用壽命、更高的效率和盡可能少的維護。
■ 速度比有刷電機高很多，扭矩下降幅度較小。
潛在提升點
■ 驅動器電子設備以及編程/調整更為復雜。
■ 當轉速小于200 rpm時，齒槽效應和扭矩紋波會妨礙平穩(wěn)性和控制性。
交流永磁伺服電機
對于大多數(shù)需要精確位置和速度控制的應用來說，同步交流永磁伺服電機是不二選擇。該技術早于 20 世紀 80 年代開發(fā)，隨著驅動器電子裝置、永磁材料、制造公差和其他創(chuàng)新技術的發(fā)展，該技術也在不斷完善。
其基本設計與無刷直流伺服電機類似。外部定子包含有插入層疊鋼齒間的三相繞組線圈。電子換向系統(tǒng)按順序給這些線圈通電，以產生一個旋轉磁場。該磁場會與內部轉子上的永磁體相互作用，進而實現(xiàn)轉動。
與無刷直流伺服電機不同，交流伺服電機的換向電流會根據(jù)轉子位置，以正弦波的形式輸送到所有三相繞組中。電流的幅值和頻率都可改變，以此提供更強勁的扭矩和更精確的控制。平滑的正弦波還能大幅度減少齒槽和扭矩紋波的影響。
優(yōu)點
■ 在相對緊湊的結構中實現(xiàn)出色的扭矩密度、功率和效率。
■ 多種外形、尺寸和功率范圍。
■ 慣性小，可快速響應動態(tài)變化的負載和速度。
■ 使用壽命長，性能可靠，維護量極少。
潛在提升點
■ 有槽電機在低速運行時可能會出現(xiàn)齒槽效應，但正弦波換向技術和精密的驅動固件能夠彌補這一問題。
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