导读：伺服系统的灵魂是控制，但核心仍然是两大物理实体：电机与传感器（编码器）。要想理解伺服控制为什么能“又快又准”，必须先弄清楚伺服电机内部结构、磁场原理，以及反馈传感器如何告诉系统“我转到哪了、转多快”。这一讲，我们系统梳理伺服电机与传感器的基础知识，为后续“驱动器与调试”打下底层认知。

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一、伺服电机的基本构成

伺服电机（Servo Motor）本质是一种高性能电机，与普通异步电机相比，它具备更高的动态响应、更低的转动惯量和更强的线性控制特性。

主要组成部分：

• 定子（Stator）：由铁芯和三相绕组构成，产生旋转磁场。
• 转子（Rotor）：装有永磁体（多为钕铁硼），与定子磁场作用产生转矩。
• 轴承（Bearing）：支撑转子运动，保证低摩擦与高同心度。
• 编码器（Encoder）：检测转角与速度，形成反馈闭环。
• 制动器（Brake，可选）：竖直轴常配，用于断电保持位置。

伺服电机可以看作“带有高分辨率位置传感器的永磁同步电机（PMSM）”。驱动器通过电流控制磁场矢量，实现高精度转矩与位置控制。

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二、伺服电机的分类与特征

类型	原理	优点	典型应用
交流伺服电机（AC Servo）	永磁同步电机 + 矢量控制	响应快、精度高、噪声低、寿命长	CNC、机器人、点胶机
直流伺服电机（DC Servo）	励磁绕组 + 电枢电压控制	控制简单、转矩大	旧式伺服系统、实验教学
直线伺服电机	展开式结构，无旋转部件	无齿轮间隙、高精度直线运动	半导体设备、电子装配

主流工业伺服：交流永磁同步伺服（AC PMSM）已完全取代传统 DC 伺服，成为工业标准。

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三、伺服电机的电磁原理

定子三相绕组产生旋转磁场，转子永磁体被磁场“拖着转”。控制核心是通过调节三相电流的幅值与相位，使转矩恒定且可控。

3.1 磁场定向控制（FOC）简要理解

FOC（Field Oriented Control）又称矢量控制，其思路是把三相电流分解为两个正交分量：

• I_d：励磁分量，控制磁通；
• I_q：转矩分量，控制输出转矩。

通过坐标变换（Park/Clarke 变换）将交流量转为直流量，使控制更简单、更平滑。

结论：FOC 技术让伺服驱动器能像控制直流电机一样精确地调节转矩和速度，这也是伺服“顺滑”的核心秘密。

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四、伺服电机的关键参数

• 额定转速（n_N）：通常为 2000–3000 rpm，部分高速型可达 6000 rpm。
• 额定转矩（T_N）：额定工况下可持续输出的转矩。
• 峰值转矩（T_p）：短时间可输出 2–3 倍额定转矩。
• 转动惯量（J）：影响加速性能与负载匹配。
• 编码器分辨率：每转脉冲数决定位置精度（常见 17–23 bit）。

典型型号举例： 安川 SGM7J 400W：3000 rpm / 1.27 N·m / 峰值 3.8 N·m / 编码器 24 bit。 松下 MINAS A6 750W：3000 rpm / 2.4 N·m / 峰值 7.2 N·m / 编码器 23 bit。

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五、传感器基础：编码器是伺服的“眼睛”

5.1 编码器的作用

伺服系统的“闭环”离不开传感器反馈。编码器实时测量电机转角与速度，驱动器根据反馈调整输出。

5.2 编码器的类型

类型	原理	精度/分辨率	优点	典型品牌
增量式编码器（Incremental）	输出 A/B/Z 三相脉冲	每转 1000～20000 脉冲	结构简单，成本低	Autonics、Omron
绝对式编码器（Absolute）	输出数字编码（多圈/单圈）	17–25 bit，分辨率高	掉电记忆，不丢零点	Tamagawa、Heidenhain、Renishaw
旋转变压器（Resolver）	模拟正余弦输出，经解调获得角度	相对较低	抗干扰强、温度稳定	Yaskawa、Tamagawa

总结： 高端伺服一般采用多圈绝对值编码器（17–23 bit），低成本或恶劣环境下使用旋转变压器（Resolver）。

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六、编码器反馈信号与驱动器接口

不同品牌驱动器的编码器接口标准不同：

• 安川：Serial Encoder（Tamagawa 17–24 bit）
• 三菱：SSCNET / MR-J通讯型
• 西门子：EnDat / Hiperface编码器接口
• 松下：RS485 / 绝对值多圈

编码器的高速数字通信（通常 2–5 Mbps）传递位置、速度、温度等多种反馈信息，保证高精度与可靠同步。

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七、常见的反馈误差与诊断思路

• 位置抖动：编码器信号噪声、地线干扰、屏蔽不良。
• 报警（编码器断线）：信号线折断或插头松动，驱动器报警A.90 / Encoder Error。
• 回零偏移：安装角度不正或齿轮传动间隙过大。
• 低速振动：反馈量分辨率太低或速度环参数未整定。

实务建议：

1. 伺服线束必须使用专用屏蔽电缆，并在驱动端单点接地。
2. 编码器信号线与动力线间距 ≥ 10 cm，避免平行布线。
3. 设备长期使用后，定期校验零位与反馈精度。

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八、制动器（Brake）与安全保持

对垂直轴或悬臂负载，伺服常配 电磁制动器：

• 上电释放（工作时打开），断电抱死；
• 用于紧急停机保持位置、防坠落；
• 不参与运动控制环，仅为机械保持装置。

驱动器通常提供制动控制端子（BRK+ / BRK–），并内置延时释放逻辑：先上电释放，再启动电机；停机时先断电机，再上制动。

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九、小结

1. 伺服电机是高性能永磁同步电机，依靠矢量控制实现转矩线性化与高速响应。
2. 编码器是伺服系统的“眼睛”，提供位置与速度反馈，构成闭环控制核心。
3. 制动器保证安全保持，而非控制环的一部分。

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下一讲预告

在《伺服基础课 第 3 讲》中，我们将讲解：

• 伺服驱动器的三环控制结构（电流环、速度环、位置环）；
• 增益（P/I/D）的调节逻辑与常见整定方法；
• 伺服系统调试的典型步骤与现场案例。

理解“电机 + 传感器”只是第一步，下一课我们将真正走进伺服控制的“大脑”。

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