伺服电机工作原理
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2023年2月28日发(作者：不加思索的意思)交流伺服电机的工作原理
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交流伺服电机的工作原理
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，驱动器根据反馈值及目标值进行比较，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）。
4.什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？
答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转
现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，
请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？
答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯
形波。但直流伺服比较简单，便宜。
永磁交流伺服电动机
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技
术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相
继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流
伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服
系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传
动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主
要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
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⑸同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威
贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此
种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各
公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期
的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，
尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处
理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，
分别称为摪胧只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，
控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家
如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适
用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列
适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后
又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D
系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、
80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了
可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）
较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、
电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
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以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80
年代中
期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电
动机。L系列
有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服
系统。
日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和
HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气
（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统
的竞争行列。
德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机
共有7个机座号92个规格。
德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标
准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动
机及相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1／2，
配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控
制。
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德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永
磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM系列的驱动控
制器。
美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分
部（MotionControlDivision），生产M600系列的交流伺服电动机和
A600系列的伺服
驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流
伺服系统。
美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺
服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个
规格。
I.D.（IndustrialDrives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工
业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510三个系列共41个规格的
无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计
的摻鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中
惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每
大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.
m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数
字型、含位置控制）和SmartDrive（数字型）三个系列，最大连续电
流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。
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爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以
生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT11
00、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八
种控制器。
法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列
（短型）
交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。
原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。
其中ДBy系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长
度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m。2ДB
y系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，
配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交
流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；
中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种
规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。
韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中F
AGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、
CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW。
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现在常采用摴β时浠蕯（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的
品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性
能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。
按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.
D的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。
1，如何正确选择伺服电机和步进电机？
主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是
垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要
求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还
是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。
据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。
2，选择步进电机还是伺服电机系统？
其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见
下表，自然明白。
步进电机系统伺服电机系统
力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范围
速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于
1000RPM）高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分
控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转
速/转矩方式
平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，
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运行平滑
精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分
辨率）
矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬
过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时）
反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方
式，编码器反馈
编码器类型-光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变
压器型
响应速度一般快
耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）
温升运行温度高一般
维护性基本可以免维护较好
价格低高
3，如何配用步进电机驱动器？
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或
高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型
驱动器，以获得良好的高速性能。
4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？
2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。5相
电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部
分场合取代伺服电机。
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5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需
要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此
它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平
滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可
以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁
辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一
般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最
高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行
的应用。
6，使用电机时要注意的问题？
上电运行前要作如下检查：
1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输
入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是
否合适（开始时不要太大）；
2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞
线）；
3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良
好后，再逐步连接。
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4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。
5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声
音和温升情况，发现问题立即停机调整。
7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时
有时还会失步，是什么问题？
一般要考虑以下方面作检查：
1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型
时要选用力矩比实际需要大50%~100%的电机，因为步进电机不能过负
载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复
动。
2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要>10mA），以
使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制
器的输出电路是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。
3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电
机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可
能就不稳定，甚至处于惰态。
4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上
此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。
5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。
8，我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？
可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应
用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上
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面有DSP和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如
S加速、多轴插补等。
9，用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？
一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上
的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间
的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性
能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环
形或R型变压器变压的直流电源。
10，我想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？
可以，但需要另外的转换模块。
11，我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱
动器控制？
可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。
12，伺服电机的码盘部分可以拆开吗？
禁止拆开，因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精
度都将无法保证，需要专业人员检修。
13，步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？
不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的
转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电
机力矩大大下降。
14，几台伺服电机可以作同步运行吗？
我们的产品是可以的。
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15，伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？
我们的产品是可以的，如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推
力跟进。
16，可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？
原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大
降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决
定。
17，使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗?
正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。
因为电机速度及电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过
速，但可能发生驱动器等故障。此外,必须保证电机符合驱动器的
最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机
的额定电流。
事实上，如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话(低于额
定电压)，这是很好的。以较低的电压(因此比较低的速度)运行
会使得电刷运转反弹较少，而且电刷/换向器磨损较小，比较低的电流
消耗和比较长的电机寿命。另一方面，如果电机大小的限制和性能的
要求需要额外的转矩及速度，过度驱动电机也是可以的，但会牺牲产品
的使用寿命。
18，我如何为我的应用选择适当的供电电源?
推荐选择电源电压值比最大所需的电压高10%-50%。此百分比因
Kt,Ke,以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应
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用所需的能量。记住驱动器的输出电压值及供电电压不同,因此驱动
器输出电流也及输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此
应用所有的功率需求，再增加5%。按I=P/V公式计算即可得到所
需电流值。
19，对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？
请见下表（以下模式并不全部存在于所有型号的驱动器中）
开环模式输入命令电压控制驱动器的输出负载率。此模式用于无刷
电机驱动器，和有刷电机驱动器的电压模式相同。
电压模式输入命令电压控制驱动器的输出电压。此模式用于有刷电
机驱动器，和无刷电机驱动器的开环模式相同。
电流模式(力矩模式)输入命令电压控制驱动器的输出电流（力矩）。
驱动器调整负载率以保持命令电流值。如果驱动器可以速度或位置环工
作，一般都含有此模式。
IR补偿模式输入命令控制电机速度。IR补偿模式可用于控制无速
度反馈装置电机的速度。驱动器会调整负载率来补偿输出电流的变动。
当命令响应为线性时，在力矩扰动情况下，此模式的精度就比不上闭环
速度模式了。
Hall速度模式输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上
hall传感器的频率来形成速度闭环。由于hall传感器的低分辨率，
此模式一般不用于低速运动应用。
编码器速度模式输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上编
码器脉冲的频率来形成速度闭环。由于编码器的高分辨率，此模式可用
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于各种速度的平滑运动控制。
测速机模式输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上模拟测
速机来形成速度闭环。由于直流测速机的电压为模拟连续性，此模式适
合很高精度的速度控制。当然，在低速情况下，它也容易受到干扰。
模拟位置环模式(ANP模式)输入命令电压控制电机的转动位置。
这其实是一种在模拟装置中提供位置反馈的变化的速度模式（如可调电
位器、变压器等）。在此模式下，电机速度正比于位置误差。且具有更
快速的响应和更小的稳态误差。
20，驱动器和系统如何接地？
a.如果在交流电源和驱动器直流总线（如变压器）之间没有隔离的话，
不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致
设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压并不是对大地的，在直流总
线地和大地之间可能会有很高的电压。
b.在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。
多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点
上产生电流。
c.为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的
信号地。它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工
作（如：编码器的5V电源）。
d.屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其
电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，
或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。
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21，减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点?
如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远
超过减速器的转矩等级。如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，
减速器的内部齿轮会有太多组合(体积较大、材料多)。这样会使得产
品价格高，且违反了产品的“高性能、小体积”原则。
22，我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器?
行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转
矩，而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好。正齿轮减速器则用
于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。
部分伺服驱动器故障检查方法参考:
现象可能原因纠正方法
示波器检查驱动器的电流监控输出端时，发现它全为噪声，无法读
出电流监控输出端没有及交流电源相隔离（变压器）可以用直
流电压表检测观察
电机在一个方向上比另一个方向跑得快无刷电机的相位搞
错检测或查出正确的相位
在不用于测试时，测试/偏差开关打在测试位置将测试/偏差开关
打在偏差位置
偏差电位器位置不正确重新设定
电机失速速度反馈的极性搞错可以尝试以下方法：
1.如果可能，将位置反馈极性开关打到另一位置。（某些驱动
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器上可以）
2.如使用测速机，将驱动器上的TACH+和TACH-对调接入。
3.如使用编码器，将驱动器上的ENCA和ENCB对调接入。
4.如在HALL速度模式下，将驱动器上的HALL-1和HALL-3对调，
再将Motor-A和Motor-B对调接好。
编码器速度反馈时，编码器电源失电检查连接5V编码器电源。
确保该电源能提供足够的电流。如使用外部电源，确保该电压是对驱动
器信号地的。
LED灯是绿的,但是电机不动一个或多个方向的电机禁止动
作检查+INHIBIT和–INHIBIT端口
命令信号不是对驱动器信号地的将命令信号地和驱动器信号地
相连
上电后，驱动器的LED灯不亮供电电压太低，小于最小电压值要
求检查并提高供电电压
当电机转动时，LED灯闪烁HALL相位错误检查电机相位设定
开关(60°/120°)是否正确。多数无刷电机都是120°相差。
HALL传感器故障当电机转动时检测
HallA,HallB,HallC的电压。电压值应该在5VDC和0之
间。
LED灯始终保持红色存在故障原因:过压、欠压、短路、过
热、驱动器禁止、HALL无效
23，何为负载率(dutycycle)?
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负载率(dutycycle)是指电机在每个工作周期内的工作时间/（工作时
间+非工作时间）的比率。如果负载率低，就允许电机以3倍连续电流
短时间运行，从而比额定连续运行时产生更大的力量。
24，标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？
一般都是可以的。你可以把直线电机就当作旋转电机，如直线步进电机、
有刷、无刷和交流直线电机。具体请向供应商咨询。
25，直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？
可以。根据用户的要求，垂直安装时我们可以加装动子滑块平衡装置或
加装导轨抱闸刹车。
26，在同一个平台上可以安装多个动子吗？
可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。
27，是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？
可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。
28，AMS的直线电机是否可以用于特殊环境，如水溅、真空、洁净室、
辐射等环境？
可以提供。具体请及我们联系。
29，使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？
由于定子和动子之间没有机械连接，所以消除了背隙、磨损、卡死问题，
运动更加平滑。突出了更高精度、高速度、高加速度、响应快、运动平
滑、控制精度高、可靠性好体积紧凑、外形高度低、长寿命、免维护等
特点。
30，你们的滑台可以做多个组合一起使用吗？
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是的。可以组合为XY,XZ,YZ,XYZ及其它灵活组合。
伺服电机及步进电机性能比较
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步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的
联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全
数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制
系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电
机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似
（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
一、控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进
电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角
更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.
09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步
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距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.
09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全
数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于
驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对
于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一
圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电
机的脉冲当量的1/655。
二、低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率及负载情况和驱动
器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进
电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当
步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如
在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交
流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具
有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
三、矩频特性不同
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步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下
降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输
出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定
转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
四、过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。
以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩
为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电
机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选
取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出
现了力矩浪费的现象。
五、运行性能不同
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或
堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，
应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对
电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现
步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
六、速度响应性能不同
交流伺服电机的工作原理
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步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400
毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机
为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启
停的控制场合
伺服电动机
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的
一种执行元件。其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角
速度。按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
一、交流伺服电动机
1、结构和原理
交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个
在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组
始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的
控制电压。转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。笼型转子的结
构及一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电
阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输
入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的定子
分为外定子和内定子两部分。外定子的结构及笼型交流伺服电动机的定子
相同，铁心槽内放有两相绕组。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）
做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而
轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。
交流伺服电机的工作原理
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交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁
的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差9
0°电角度。如果IL及Ik的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值
又相等，这种状态称为对称状态。及单相异步电动机一样，这时在气隙中
产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场及转子导
体相对切割，在转子中产生感应电流。转子电流及旋转磁场相互作用产生
转矩，使转子旋转。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就
破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。电机的工作状态
越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机
立即停止转动。这是交流伺服电动机在运行上及普通异步电动机的区别。
交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：
（1）幅值控制控制电流及励磁电流的相位差保持90°不变，改变
控制电压的大小。
（2）相位控制控制电压及励磁电压的大小，保持额定值不变，改
变控制电压的相位。
（3）幅值—相位控制同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电动
机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
2工作特性和用途
伺服电动机的工作特性是以机械特性和调节特性为表征。在控制电压一定
时，负载增加，转速下降；它的调节特性是在负载一定时，控制电压越高，
转速也越高。伺服电动机有三个显著特点：
交流伺服电机的工作原理
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（1）启动转矩大由于转子导体电阻很大，可使临界转差率Ｓｍ＞１，
定子一加上控制电压，转子立即启动运转．
（２）运行范围宽在转差率从０到１的范围内都能稳定运转．
（３）无自转现象控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称＂自
转＂．自转现象破坏了伺服性，显然要避免．
正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后，伺服电动机就处于单相运行
状态。由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩始终是制动性的转矩，
当电动机正转时失去Ｕｋ（控制电压），产生的转矩为负（０＜Ｓ＜１）。
而反转时失去UK，产生的转矩为正（1〈S〈2时〉，不会产生自转现象，
可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电动机及异步电动机的重
要区别。
不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具
有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳，
有抖动现象。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转
动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但
是励磁电流较大，体积也较大，转子易变形，性能上不及直流伺服电动机。
交流伺服电动机适用于0.1—100W小功率自动控制系统中，频率有50Hz、
400Hz等多种。笼型转子交流伺服电动机产品为SL系列。空心杯形转子交
流伺服电动机为SK系列，用于要求运行平滑的系统中。
二、直流伺服电动机
直流伺服电动机的基本结构及普通他励直流电动机一样，所不同的是直流
伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极，并
交流伺服电机的工作原理
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且转子做得细长，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。按励磁方式不
同，可分为电磁式和永磁式两种，电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕
组产生，一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，
无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。为了适应各种不同系统的
需要，从结构上作了许多改进，又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电
枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。
电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同，因此电磁式直
流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控制和磁场控制。对永磁式直流
伺服电动机来说，当然只有电枢控制调速一种方式。由于磁场控制调速方
式的性能不如电枢控制调速方式，故直流伺服电动机一般都采用电枢控制
调速。直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变。
直流伺服电动机的机械特性及他励直流电动机相似，即n=n0-αT。当励磁
不变时，对不同电压Ua有一组下降的平行直线。
直流伺服电动机适用于功率稍大（1—600W）的自动控制系统中。及交流
伺服电动机相比，它的调速线性好，体积小，质量轻，启动转矩大，输出
功率大。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干
扰。近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印
制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电动机，来提高快速响应能力，适应自
动控制系统的发展需要，如电视摄象机、录音机、X—Y函数记录仪及机床
控制系统等。
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