直流电机、无刷直流电机和交流伺服电机之间的区别是什么？

了解技术以及如何选择这些技术

大约 100 年前，伺服电机的发明改变了电动运动的能力，使得从工业自动化到机器人技术、医疗设备、飞行控制、数控机床，以及许多其他领域的应用都能够实现精确的速度和位置控制。

伺服电机技术经过多年的发展，应用范围不断扩大，但同时也带来了一个难题：应该为自己的应用选择哪种技术？ 我们来看看有刷直流永磁电机、无刷直流电机和交流永磁电机，并评估各类电机的优缺点及用途。  

有刷直流永磁伺服电机

这种最早的伺服电机技术于 1926 年问世，使用有刷直流电机，这一概念可追溯到 1832 年。 目前常用的设计是在定子上安装永磁铁，在转子叠片上缠绕铜线圈，并使用转速计等实时反馈装置来实现伺服驱动。

伺服驱动器可对反馈信号进行解读，并以各种宽度的脉冲调制为电机提供电压，这一过程称为脉冲宽度调制。 这些脉冲通过由很多铜条组成的旋转开关（换向器）实现换向，换向器与石墨等导电材料制成的固定电刷接触，将脉冲输送到转子线圈的多个相位。

当线圈依次切换时，会产生一个旋转磁场，该磁场与永久磁铁相互作用，进而使转子旋转。 基于速度反馈装置提供的数据，驱动器可利用脉冲宽度调制来持续修正任何误差。例如，即便电机驱动的负载不断变化，也能确保转子保持稳定的转速和准确的定位。

有刷直流伺服电机的优点

• 初始成本较低，但使用寿命短可能会抵消这一优势。
• 启动和低速运作时扭矩大。
• 电机控制系统相对简单。

有刷直流伺服电机的缺点

• 磨损的电刷需要定期更换。
• 磨损的换向器需要返修、更换新轴承甚至更换电机。
• 物理换向限制了功率传输，如果超额工作，可能会导致电弧。 

无刷直流电机 (BLDC)

无刷直流电机于 20 世纪 60 年代问世，半导体电子技术的进步使其成为可能。 早期的无刷直流电机功率较低，但随着大功率永磁材料的日益普及，无刷直流电机在 20 世纪 80 年代开始崭露头角。 如今，相比有刷直流伺服电机，这些电机在工业应用中的用途更为普遍。

由于没有物理电刷与旋转的换向器接触，无刷直流电机的基本设计与有刷电机相比得到了改善，进而提高了效率和性能。 其电枢线圈缠绕在定子/机架上的槽形叠片上，而永磁体则固定在转子上。

编码器等反馈装置会不断向驱动器报告转子的位置，驱动器则会直接切换输送到线圈的直流电压，以纠正任何旋转误差，进而实现所需的转向、速度和位置。 这种电子切换以粗略模仿正弦波的步进方式进行。在任何指定的旋转点，电流都会施加到两相上，第三相则始终处于断电状态。

这种阶梯状波形会产生扭矩纹波，而永磁转子和定子齿形钢叠片之间的吸引力则会产生齿槽效应。 这些特性妨碍了低速时的精确控制和平稳运行，但在高速时却很少出现问题。 没有定子齿的无槽电机消除了齿槽效应，但低速平稳运行的代价是扭矩显著降低。

无刷直流伺服电机的优点

• 在中高速运行时，闭环控制精确、反应灵敏。
• 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。
• 速度比有刷电机高很多，扭矩下降幅度较小。

无刷直流伺服电机的缺点

• 驱动器电子设备以及编程/调整更为复杂。
• 当转速小于 200 rpm 时，齿槽效应和扭矩纹波会妨碍平稳性和控制性。 

交流永磁伺服电机

对于大多数需要精确位置和速度控制的应用来说，同步交流永磁伺服电机是不二选择。 该技术最早于 20 世纪 80 年代开发，随着驱动器电子装置、永磁材料、制造公差和其他创新技术的发展，该技术也在不断完善。

其基本设计与无刷直流伺服电机类似。 外部定子包含有插入层叠钢齿间的三相绕组线圈。 电子换向系统按顺序给这些线圈通电，以产生一个旋转磁场。该磁场会与内部转子上的永磁体相互作用，进而实现转动。

与无刷直流伺服电机不同，交流伺服电机的换向电流会根据转子位置，以正弦波的形式输送到所有三相绕组中。 电流的幅值和频率都可改变，以此提供更强劲的扭矩和更精确的控制。 平滑的正弦波还能最大限度地减少齿槽和扭矩纹波的影响。

交流永磁伺服电机的优点

• 在相对紧凑的结构中实现出色的扭矩密度、功率和效率。
• 多种外形、尺寸和功率范围。
• 惯性小，可快速响应动态变化的负载和速度。
• 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

• 有槽电机在低速运行时可能会出现齿槽效应，但正弦波换向技术和精密的驱动固件能够弥补这一问题。

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