简介：伺服电机发展和技术选择概述
一个世纪前，伺服电机的发明彻底改变了电动运动控制，使工业自动化、机器人、医疗设备、飞行控制、数控机床等领域实现了精确的速度和位置控制。多年来，伺服电机的应用范围不断扩大，但这也给技术选择带来了挑战。本文将重点介绍有刷直流永磁电机、无刷直流电机和交流永磁电机，分析每种类型的优缺点及其相应的使用案例。
有刷直流永磁伺服电机
原理说明：
伺服驱动器解释反馈信号，并使用脉宽调制（PWM）通过不同宽度的脉冲为电机提供电压。这些脉冲由多个铜片组成的旋转开关（换向器）进行换向，这些铜片与石墨等导电材料制成的固定电刷接触，从而向多个转子线圈相位提供脉冲。当线圈依次切换时，就会产生旋转磁场，与永久磁铁相互作用，使转子旋转。驱动装置根据速度反馈利用 PWM 不断修正误差。因此，即使负载变化，转子也能保持稳定的速度和精确的定位。
有刷直流伺服电机的优点
初始成本低，但较短的使用寿命可能会抵消这一优势。
启动和低速时扭矩大。
电机控制系统相对简单。
有刷直流伺服电机的缺点
必须定期更换磨损的电刷。
换向器磨损，需要维修、更换轴承，甚至更换电机。
物理换向限制了功率传输，过载可能会引起电弧。
无刷直流电机
原理说明：
与有刷直流电机相比，无刷直流电机有显著改进。由于没有物理电刷和换向器，效率和性能都得到了提高。电枢线圈绕在机架上的定子槽中，而永久磁铁则固定在转子上。编码器等反馈装置不断向驱动装置报告转子位置，然后驱动装置以电子方式将直流电压切换至线圈，以纠正旋转误差，从而实现所需的旋转方向、速度和位置。这种电子换向以近似正弦波的步骤进行。在任何给定的旋转点上，电流作用于两个相位，而第三个相位处于关闭状态。
这种阶梯波形会产生扭矩纹波，永磁转子和定子槽之间的相互作用会产生齿槽，影响低速精度和平稳性，但在高速时问题较少。没有定子齿的无槽电机可消除齿槽现象，但其代价是扭矩大幅降低。
无刷直流伺服电机的优点
中高速时可实现精确、灵敏的闭环控制。
无物理换向意味着更长的使用寿命、更高的效率和最少的维护。
速度能力高于有刷电机，但扭矩略有下降。
无刷直流伺服电机的缺点
驱动电子设备和编程/调谐更为复杂。
转速低于 ~200 rpm 时，齿槽和扭矩纹波会妨碍平稳性和控制。
交流永磁伺服电机
原理分析：
对于大多数精密速度和位置控制应用，同步交流永磁伺服电机通常是最佳选择。这类电机的基本设计与无刷直流伺服电机类似。外部定子在层叠钢齿之间插入三相绕组，电子换向系统依次给线圈通电，产生与转子永磁体相互作用的旋转磁场，驱动电机。与无刷直流电机不同，交流伺服电机根据转子位置向所有三个绕组提供正弦电流。通过改变电流振幅和频率，交流伺服电机可提供更强的扭矩和更精细的控制，平滑的正弦波换向可最大限度地减少齿槽和扭矩纹波。
交流永磁伺服电机的优势
结构相对紧凑，具有出色的转矩密度、功率和效率。
提供各种外形尺寸和功率范围。
惯性小，可快速响应动态负载和速度变化。
使用寿命长，性能可靠，维护量极少。
交流永磁伺服电机的缺点
开槽电机在低速时可能会出现齿槽现象，但正弦波换向和精密固件可在很大程度上弥补这一缺陷。
伺服电机比较指南
| 比较尺寸 | 有刷直流伺服电机 | 无刷直流（BLDC） | 交流永磁伺服电机 |
| 电源 | 直流 | 直流，电子换向 | 交流 |
| 效率 | 低 | 高 | 最高 |
| 速度控制 | 优秀（限速） | 中等 | 优秀 |
| 位置控制 | 优秀 | 中等 | 优秀 |
| 维护和寿命 | 高维护，短寿命 | 低维护，长寿命 | 维护少，寿命长 |
| 扭矩密度 | 平均值 | 高 | 最高 |
| 平滑度 | 良好（反馈受限） | 低速时低，高速时正常 | 取决于反馈和控制 |
| 响应性 | 马力有限 | 良好 | 优 |
