一、基础电磁工作原理

1. 定子绕组产生旋转磁场

• 定子通常由三相绕组（U、V、W）构成，当驱动器向三相绕组通入 相位互差 120° 的交流电 时，会在定子内部产生一个 旋转磁场（磁场转速由电源频率和电机极对数决定，公式为：$n_0=\frac{60f}{p}$，其中 $n_0$ 为同步转速，$f$ 为频率，$p$ 为极对数）。

2. 转子跟随磁场旋转

• 永磁同步电机的转子内嵌 高性能永磁体（如钕铁硼），转子磁场与定子旋转磁场通过 磁拉力 保持同步旋转，转速与旋转磁场一致（无转差）。
• 异步伺服电机的转子为笼型结构，依靠定子磁场在转子导条中感应出电流，产生电磁转矩，转速略低于同步转速（存在转差率）。

3. 电磁转矩的产生

• 定子磁场与转子磁场的相互作用产生 电磁转矩，驱动电机轴旋转。转矩大小与定子电流、磁场强度及两者夹角（功率角）相关，公式为：$T=K\cdot \Phi \cdot I\cdot \sin \delta$（$K$ 为结构常数，$\Phi$ 为磁通量，$I$ 为电流，$\delta$ 为功率角）。

二、伺服系统的闭环控制原理

1. 控制器（上位机）

• 接收用户指令（如位置、速度、转矩目标值），并将指令转化为 数字信号 发送给驱动器。
• 常见控制器：PLC、运动控制器、工业计算机等。

2. 伺服驱动器（逆变器）

• 信号处理：将控制器的指令信号与电机反馈信号（如编码器信号）进行比较，计算出 偏差值。
• 功率放大：根据偏差值生成 PWM（脉冲宽度调制）信号，驱动逆变器中的功率器件（如 IGBT），调节定子绕组的电压和电流，从而控制电机的转速、转矩或位置。
• 控制算法：内置 PID（比例 - 积分 - 微分）控制器、前馈控制、自适应控制等算法，优化动态响应和稳态精度。

3. 反馈元件（编码器）

• 作用：实时检测电机的 实际位置、转速和转向，将信号反馈给驱动器，形成闭环控制。
• 类型：
  • 增量式编码器：输出脉冲序列，通过计数确定位置变化。
  • 式编码器：每个位置对应编码，断电后仍可记录位置（力士乐部分高端产品采用）。

4. 闭环控制逻辑

• 位置环：控制器设定目标位置，驱动器根据编码器反馈的实际位置计算偏差，调整电机转速直至位置一致。
• 速度环：当需要恒定转速时，驱动器对比目标速度与实际速度（由编码器脉冲频率计算），调节电流以维持转速稳定。
• 转矩环：直接控制电机输出转矩，适用于需要恒定张力或负载敏感的场景（如印刷、纺织）。

三、力士乐伺服电机的结构特点与技术优势

1. 关键结构组件

• 高能量密度永磁体：采用稀土永磁材料，提升转矩输出和效率。
• 低惯量转子设计：减小转子转动惯量，提高加速 / 减速响应速度。
• 高精度轴承：支持高速旋转和高径向 / 轴向负载，延长寿命。
• 集成编码器：与电机本体一体化设计，确保反馈信号的实时性和抗干扰能力。

2. 技术优势

• 高动态响应：得益于闭环控制和优化的电机参数，可快速跟踪高速变化的指令。
• 定位精度高：配合式编码器，定位误差可控制在微米级。
• 过载能力强：短时过载倍数可达 3-5 倍额定转矩，适应冲击性负载。
• 兼容性与扩展性：支持多种通信协议（如 PROFINET、EtherCAT），可与力士乐其他产品（如 PLC、液压元件）无缝集成。

四、典型应用场景

• 数控机床：实现刀具或工作台的定位与进给。
• 机器人：协作机器人、SCARA 机器人的关节驱动。
• 自动化生产线：包装机械、半导体设备的高速分拣与装配。
• 印刷与纺织机械：张力控制、同步传动。
• 新能源设备：锂电池生产线的涂布、卷绕工艺。