伺服電機(jī)的應(yīng)用范圍介紹及應(yīng)用前景分析

一、行業(yè)相關(guān)定義及其分類(lèi)

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可以控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀調(diào)研與投資戰(zhàn)略評(píng)估報(bào)告(2023-2030年)》顯示，伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。其中、交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率;直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)，其成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便(換碳刷)，產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。

二、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然我國(guó)伺服產(chǎn)品起步較晚，但近年來(lái)隨著下游工業(yè)機(jī)器人、電子制造設(shè)備等等產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張，伺服電機(jī)在新型產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)迅速，整體市場(chǎng)規(guī)模也不斷增長(zhǎng)。目前我國(guó)伺服電機(jī)正處于成長(zhǎng)階段。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)169億元，同比增長(zhǎng)13.42%。預(yù)計(jì)2022年我國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到181億元。

伺服電機(jī)是一種在機(jī)械行業(yè)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備。它的應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)處不在，發(fā)揮著重要的作用。

伺服電機(jī)通過(guò)接收控制信號(hào)，能夠精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速。這使得它成為許多機(jī)械設(shè)備的理想選擇。在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種工藝中，如裝配、包裝和搬運(yùn)。它們能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位和運(yùn)動(dòng)控制，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

在機(jī)械制造過(guò)程中，伺服電機(jī)也扮演著重要的角色。它們被應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、切割設(shè)備和注塑機(jī)等設(shè)備中，為工件加工提供精準(zhǔn)的動(dòng)力輸出。伺服電機(jī)的高速響應(yīng)和穩(wěn)定性使得機(jī)械加工過(guò)程更加可靠和高效。

此外，伺服電機(jī)還廣泛應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人需要準(zhǔn)確地感知和控制其運(yùn)動(dòng)，以完成各種任務(wù)。伺服電機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，能夠提供高精度的運(yùn)動(dòng)控制，使機(jī)器人能夠靈活地執(zhí)行各種復(fù)雜動(dòng)作。

除了機(jī)械行業(yè)，伺服電機(jī)在其他領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。例如，它們被廣泛用于醫(yī)療設(shè)備、航空航天和電子設(shè)備中。在醫(yī)療設(shè)備中，伺服電機(jī)用于控制手術(shù)機(jī)器人和影像設(shè)備，為醫(yī)生提供精確的操作和診斷結(jié)果。在航空航天領(lǐng)域，伺服電機(jī)被用于控制飛行器的各種運(yùn)動(dòng)，確保飛行安全和穩(wěn)定性。在電子設(shè)備中，伺服電機(jī)則用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)等領(lǐng)域。

總而言之，伺服電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，涵蓋了機(jī)械行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。其高精度、高效率的特點(diǎn)，使得它成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展，相信伺服電機(jī)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，為各行各業(yè)帶來(lái)更多便利和創(chuàng)新。

機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型繁多，就從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)進(jìn)行分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等五部分。

1、控制器

控制器通常是PID控制電路或計(jì)算機(jī)， 控制器主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，用來(lái)控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

2、被控對(duì)象

被控對(duì)象多指一些機(jī)械參數(shù)量，例如：位移、加速度、力、速度和力矩等。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的規(guī)則，將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。

4、檢測(cè)環(huán)節(jié)

檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要量綱的裝置，一般包括傳感器(編碼器)和轉(zhuǎn)換電路。

5、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入之間的偏差信號(hào)。這個(gè)環(huán)節(jié)通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1、伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品

1.1伺服電機(jī)

按容量將其分為大容量、中容量、小容量、超小容量(MINI型)四種類(lèi)型。其中，功率在22―55KW之間為大容量型，功率在300W―15KW之間為中容量型，功率在30―750W之間為小容量型，功率在10―20W之間為超小容量型。

1.2編碼器

現(xiàn)在以信號(hào)線(xiàn)數(shù)量是5根的新型的位置編碼器居多，分為絕對(duì)值型和增量型兩種，具有62.5μs的通信周期，12位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，4 M/s的通信速率，高達(dá)20 bit/rev編碼器分辨率，也就是說(shuō)每轉(zhuǎn)生成100萬(wàn)個(gè)脈沖，有高達(dá)6000 r/min的轉(zhuǎn)速，且僅用16μA電流。

除了光電編碼器之外，磁編碼器值得關(guān)注。磁編碼器的重量和體積都比光電編碼器小幾十倍，溫度范圍更寬，幾乎不怕沖擊和振動(dòng)。其工作原理非常簡(jiǎn)單，磁編碼器的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁敏元件和DSP的芯片，體積可以小到MSOP-24封裝，它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率是16位，精度是12位。

1.3伺服控制單元

伺服控制單元也叫伺服控制器或是伺服驅(qū)動(dòng)器。雖有較低成本、較快的相應(yīng)速度、連續(xù)性較好的特點(diǎn)，但傳統(tǒng)模擬控制會(huì)因?yàn)闇囟壬甙l(fā)生漂移，調(diào)試系統(tǒng)不易掌握，柔性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難，無(wú)法完成復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)等。

1.4上位控制

從上面的CNC控制器、運(yùn)動(dòng)控制器及可編程控制器(PLC)，能連接到底端的CNC控制器、通用輸入/輸出(I/O)控制單元。可控制單軸，在高達(dá)44軸的模式下也可控制，從模擬到網(wǎng)絡(luò)不同類(lèi)型的信號(hào)可通過(guò)控制器進(jìn)行連接。

2、比較直流與交流伺服系統(tǒng)

液壓的伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為電氣伺服系統(tǒng)，存在直流(DC)和交流(AC)兩種類(lèi)型之分。

直流伺服電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代，但在70年代末至80年代初，其逐漸被交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代，且當(dāng)時(shí)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

由于電機(jī)本身有一定缺陷，所以直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中溫度逐漸升高，使其無(wú)法精準(zhǔn)確地連接其他機(jī)械設(shè)備，而且在大容量和高速的情況很難派上用場(chǎng)。因此，直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的發(fā)展瓶頸就產(chǎn)生了。

負(fù)荷特性和低慣性是交流伺服電機(jī)兩大特點(diǎn)。這個(gè)就體現(xiàn)了交流伺服電機(jī)的比較優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)換向器、電刷等部件所造成的各種問(wèn)題在交流伺服電機(jī)中都被避免了，因此，包括工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)在內(nèi)的許多領(lǐng)域都廣泛使用交流伺服系統(tǒng)。

. 優(yōu)點(diǎn)

1.1 高精度伺服電機(jī)通過(guò)反饋控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位置控制，適用于需要高精度控制的場(chǎng)合。

1.2 高效率伺服電機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠保持高效率，能夠節(jié)省能源，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的場(chǎng)合。

1.3 快速響應(yīng)伺服電機(jī)能夠快速響應(yīng)控制信號(hào)，能夠適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。

1.4 廣泛應(yīng)用伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域，具有很大的市場(chǎng)潛力。

2. 缺點(diǎn)

2.1 價(jià)格高伺服電機(jī)的價(jià)格相對(duì)較高，適用于對(duì)價(jià)格要求不高的場(chǎng)合。

2.2 控制系統(tǒng)復(fù)雜伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。

2.3 需要專(zhuān)用設(shè)備伺服電機(jī)需要配合專(zhuān)用設(shè)備才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，適用于需要高精度、高效率的場(chǎng)合。

3. 應(yīng)用場(chǎng)合

3.1 機(jī)器人伺服電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)控制。

3.2 自動(dòng)化設(shè)備伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備的高精度控制，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的場(chǎng)合。

3.3 數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的工件加工。

伺服電機(jī)作為一種高精度、高效率的電機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。雖然伺服電機(jī)存在一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、控制系統(tǒng)復(fù)雜等，但在需要高精度、高效率的場(chǎng)合，伺服電機(jī)仍然是一種不可替代的選擇。