伺服电机

2024-10-04

伺服电机（精选12篇）

伺服电机篇1

你真的需要伺服电机吗?一台带有反馈设备的异步电动机可以为特殊应用提供更好的解决方案吗?看一看伺服电机和异步电机的定义和性能属性, 也许可以得到答案。

伺服电机系统:伺服系统不仅仅是一台电机, 它是包含控制器、驱动、电机和反馈设备的闭环运动系统, 通常还带有光学或者磁性编码器。因为供应商总是在做伺服电机的广告, 人们就发生了概念混淆。

“伺服电机”是具有永磁 (PM) 的同步机器, 代表为有刷或者无刷永磁电机。它的性能属性和其他的几种电机类型不太一样。永磁同步电机拥有很高的峰值和连续扭矩, 可以用来在精确定位系统中以很高的加速度和减速度驱动伺服系统。扭矩通常和输入电流成正比, 电机轴速和输入电压直接相关。输入电压越高, 电机的速度也就越快, 扭矩/速度曲线是线性的。

永磁结构和电机的气隙直接相连。看看永磁无刷电机的配置, 可动的转子 (具有永磁性) 和固定的定子线圈在磁性上相互作用, 使电机具备扭矩和速度。三相定子域交替加强, 永磁转子与旋转的定子同步。一个特殊的电子沟通系统可以用来检测转子的位置以加强定子线圈。在精确定位系统中, 除了大多数汽车应用和系统中使用超大型电机之外, 都要选择永磁无刷电机。当用在闭环扭矩、速度或者定位系统中, 永磁无刷电机只是一种伺服电机。

异步电机拥有和永磁无刷电机相同的物理定子, 但是转子结构完全不同。鼠笼异步电机包括一系列铝制或者铜制件, 嵌入在转子结构的凹槽中, 通过大型的短翼尾部连接。这些转子短板与定子旋转域磁性耦合, 感生出新的转子域, 同定子相互作用以使转子运动。在同步定子、慢速转子域和实际转子速度之间存在一点微小差距, 这个速度差距导致了滑移。输入的频率决定了电机速度。

举例来说, 一台60Hz的两极交流电机空载速度可以达到3600rpm, 而四极交流电机的速度则低于1800rpm, 并且依赖于滑移率。随着电机扭矩的增加, 滑移增加而速度下降。交流异步电机要增加扭矩, 代价是降低速度, 直到负载达到临界点这时候电机速度突然降低到零。一个固有的交流电机性能特点是:它的初始扭矩很小, 而且当电机启动时没有任何负载。

这个固有的扭矩-速度性能, 随着八十年代电动变频器的出现而被彻底改变了。变频器的功能在于, 使用可调或者可变的驱动重新确定扭矩-速度曲线, 以改变电压和频率, 从而使交流异步电动机成为系统速度之王。

当今的速度和定位系统:高性能驱动的持续进步, 已经使交流异步电机和永磁无刷电机以及相应的驱动在市场上更具竞争力, 但是永磁无刷电机仍然统治着定位控制应用。除此而外, 永磁无刷电机还在工厂里蚕食着直流有刷速度控制在1kw (1.37hp) 或者更低瓦数应用的市场。

怎样选择:直流异步电机当前不是为了低滞和高加速度响应所设计。它占据了从100瓦到100万瓦的速度应用的绝大部分市场份额。

除了在50kw (67hp) 或者更大的系统之外, 都可以将永磁无刷电机用于伺服定位系统。在固定或者可变速度的系统里, 则更多的使用交流异步电机。通用的解决方案使很少见的。其他的电机也还不错, 但是远远没有经典的交流异步电机和新兴的永磁无刷电机这样成功。

伺服电机篇2

科技创新是我国社会经济与可持续发展的基础，是提升综合国力的灵魂，是实现“从中国制造到中国创造，从制造大国迈向制造强国”的引擎。随着国家“十二五”规划及振兴先进制造业等产业政策的出台，创新体系的建设将进入到在国家层次上进行整体设计和系统推进的新阶段。科技创新已成为未来我国社会经济和工业发展的重大战略部署。

在国内外产业发展的大趋势下，面对资源、环境、人力成本的挑战和激烈的市场竞争，企业只有通过不断的技术创新，提高机器的自动化程度、整体性能和可靠性，快速研发出性价比更高的产品，为用户带来更多价值的同时，降低综合成本，才能在不断变化的市场环境中立于不败之地。

IIM始终致力于为中国的机器设备制造商提供创新的产品和方案。为响应国家振兴先进制造业的产业政策，适应不断变化的市场需求，“科技自动化”的理念应运而生。科技自动化是集成了现代科技最新成果的自动化，是面向科学研究、技术研发和先进制造业的自动化。它将工程科学完美地整合到自动化软件中，突破了传统控制技术的限制。精确、快速的测量技术，先进的控制算法及灵活的应用将控制技术从传统应用领域(如PLC、简单运动控制等)拓展到更广泛的应用领域(如科学研究、技术研发和先进制造业)。

科技自动化系统的开放性、先进性和实时性特点不仅适用于科学探索的高度个性化和技术创新者对灵活工作方式、开放性平台的需求，同时，能更好地满足先进制造业技术变革和产业升级的需要，用先进的自动化手段提高设备效率和精度，从而提高生产效率和产品质量。

随着工业自动化市场的快速发展，机器的功能越来越全面，程序越来越复杂，控制周期越来越短，同步的伺服轴不断增加，轴之间的耦合类型也将变得更加复杂。此外，电子凸轮和电子齿轮的应用也将逐步增多。机器运动将更多地采用多维插补技术。未来，只需采用先进的CPU就可轻松满足这些复杂应用对硬件的发展需求。视觉系统、机器人控制和传统控制集成到同一硬件和软件平台。只要拥有足够的CPU 处理能力，高级控制算法(如神经网络技术、模糊控制)就可应用于工业控制领域。同时，更先进的智能机器将有自诊断和维护功能，新的人机交互系统(如语音系统)简化设备操作，为最终用户带来更多便利。

尽管人工智能技术的发展从未间断，但迄今为止，还没有任何智能设备能够超越人脑的智慧。在不久的将来，人类借助多核技术和超强的CPU计算能力将慢慢靠近这一梦想。在工业控制领域，人工智能技术可用于改善工艺操作流程，使人机交互更加频繁，同时故障诊断和排除速度更快，保证了产品质量，提高生产效率。每一个系统组件或设备模块都可被分配到一个CPU核，使高速并行处理成为可能。

“科技自动化”理念已成为IIM不懈追求的目标，并将创新精神融入硬件和软件全系列产品，为应对未来科技的发展提供了广阔的空间。它将以自动化与科技的相互渗透、相互支持、双螺旋式共同发展的模式，为企业提升自主创新能力，促进其基础装备现代化，提升国内科研水平及国内产品的技术含量，推进战略新兴产业和先进制造业的发展，为中国制造向中国创造的转变贡献力量。

IIM 中国深圳市汇川技术股份有限公司专注于工业自动化控制产品的研发、生产和销售，定位服务于中高端设备制造商，以拥有自主知识产权的工业自动化控制技术为基础，以快速为客户提供个性化的解决方案为主要经营模式，实现企业价值与客户价值共同成长。

国际工业机器（临沂）有限公司是IIM有限公司在中国的全资子公司，作为中国区总部落户于山东省临沂高新产业园区。IIM公司总部位于香港，是一家从事工业自动化产品研发和生产的科技技术企业。公司所生产的工业 PC、现场总线模块、驱动产品和自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。经过多年的发展和努力，IIM已在世界各地设立多家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及多个国家和地区。

国际工业机器进入中国市场，现有员工 160 多人，各地分公司及办事处遍及国内 18 个大中城市。公司销售额每年以 50% 以上的速度快速增长，IIM凭借先进的技术在群雄逐鹿的中国自动化市场上脱颖而出，公司多次被中国自动化学会评为中国自动化产业十大年度贡献企业。

作为一家技术和用户需求驱动型公司，国际工业机器从未停止过创新的脚步。其创新产品和解决方案广泛应用于风力发电、半导体、光伏太阳能、金属加工、包装机械、印刷机械、塑料加工、轮胎加工、木材加工、玻璃机械、物流输送以及楼宇自动化等众多领域。

公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网，为发展我国高端制造业注入了新的动力。为响应国家关于科技创新、振兴先进制造业的号召，近年来公司积极倡导“科技自动化”的新理念，使集成了现代科技最新成果的自动化技术更好地面向科学研究、技术研发和先进制造业，为追求高产能、高效率、高质量、低能耗的企业开辟了更加广阔的应用前景。

吊舱式推进器中的伺服电机控制篇3

摘要：吊舱式推进器是二十一世纪后研发出来的新型推进装置，既能减轻载荷又可以提高舰船总体性能。本文主要研究推进器中的永磁同步电机的转速控制问题，结合SVPWM空间矢量脉宽调制技术和模糊PI原理设计的控制器，在电机转速控制的稳定性方面有很大提升。SVPWM原理能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高。模糊控制器可以简化系统设计复杂性，特别适用于非线性、时变的系统。

关键词：模糊PI控制；SVPWM原理；永磁同步电机

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.010

中图分类号：TP273+.4

文献标志码：A

文章编号：1007-2683 （2015）03-0051- 05

O 引言

国外对吊舱式推进器技术的研究起步较早、较深入，在大多数国家的军队尤其是海军中对这项技术已经投入了大量人力和财力的研究，并在推进效率、噪声消除、操作性能等方面有很大进步，在海军舰艇中的应用极其广泛.

永磁同步电动机与感应式异步电机相比不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减小定子电流和电阻损耗，效率比同规格的异步电动机提高了2% -8%.而且永磁同步电动机的效率一般在25%- 120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时的节能效果更为显著.因此本文将永磁同步电机代替异步电动机作为推进器的动力机，

要想使推进器获得更好的性能应主要从两方面下手：先进变频技术和合适的控制方式.与传统的变频控制相比矢量控制可以明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，并且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高.SVP-WM矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性.因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率和相位）的控制，矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制.由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便.需借助复杂的坐标变换进行矢量控制.

本文通过Simulink搭建SVPWM变流模块和模糊PI控制器的，对永磁同步电机转速控制进行仿真，验证该方式的控制效果.

1 电机数学模型及SVPWM技术

1.1 电机模型

电机定子的电压方程式：

其中：为三相绕组相电压；为每相绕组电阻；为三相绕组相电流；为三相绕组的磁通；为微分算子.

1.2

SVPWM原理

SVPWM实际上是对三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发方式的组合，这种开关触发顺序组合将在电机定子线圈中产生相差为120。的波形失真较小的正弦波电流.

图1中是6个功率开关，a、b、c代表3个桥臂的开关状态，规定当上桥臂为“开”状态时，开关状态为1；当下桥臂为“开”状态时，开关状态为0.这6个开关器件组合起来共有000、001、010、011、100、101、110、111，8种的开关状态.其中000、111这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流.因此称其为零矢量，

另外6种开关状态分别是6个有效矢量.它们将3600的电压空间分为6个扇区，每扇区600，如图2所示.利用这6个基本有效矢量，可以合成3600内的任何矢量.

当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，用这两个基本矢量去表示，如图3所示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间和去代表，计算公式如下，用基本电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量，从而保证生成电压波形近似于正弦波，

图中和代表两个相邻的基本电压空间矢量，是输出的参考相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转角速度是输出正弦电压的角频率，通过坐标分解，用两个基础向量的矢量和表示. 的作用时间.

为了知道用哪两个基础矢量来分解就必须先知道该矢量位于第几扇区，值，Xu为控制量论域的幅值.n为偏差变量模糊子集最大值，m为偏差变化率变量模糊子集最大值，l为控制量模糊子集最大值.

为中间变量，按照上述公式计算出 .将分解到坐标系中得到和设扇区变量为SEC.

当时a=l，否则a=0；

当时b=l，否则b=0；

当时c=l，否则c=0；

计算扇区公式为：SEC=a+2b +4c共有8种组合方式，但由于a，b，c不能同时为1或0，所以只有6种组合.

2 模糊PI控制原理

模糊控制系统通常由模糊控制器、执行机构、被控对象和检测装置等部分组成，如图4所示，

图4模糊逻辑控制系统原理图

模糊自适应PI控制器是建立在PI控制基础上的，控制器的输入量是系统偏差E，经过模糊规则分析推理，查询模糊矩阵表来调整参数从而提高提高系统综合性能.

模糊PI控制器的设计通常按以下步骤进行：

1）确定输入输出变量

由结构图易知此系统为一个多输人多输出的系统，输入变量为偏差E和偏差变化率EC，输出为PI控制器的比例系数Kp和积分Ki，这类控制器的一般形式为：

在此系统中X1为偏差量E、X2为偏差变化率EC，模糊推理的输出信号为控制器的Kp和Ki参数.

2）量化因子和比例因子的确定

计算公式为：

其中：XE为偏差论域幅值，Xc为偏差变换率论域幅

图5模糊自适应PI控制器结构图

在本文中的PMSM矢量控制系统中：

3）输入输出变量的模糊化处理

偏差量E的量化论域为E=[-50，50]，语言值集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.偏差变化率EC的量化论域为[-2e +005，2e +005]，论域的语言集合为 .

设的基础论域为，论域上的语言集合为 .设K，的基础论域为{1，3.5，6}，语言集合为 .

为了节省CPU的运算时间，增强系统的实时性，节省系统存储空间的开销，通常离线进行模糊矩阵计算和输出U的计算.因此将实际的Ki和Kp控制策略归纳为控制规则表.

3 控制系统设计及其仿真

通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流，经过坐标变换将三相电流转化为旋转坐标系中的直流分量id、iq，并将其作为电流环的负反馈送与给定量进行比较产生偏差.将检测到的电机实际速度作为速度环的负反馈量，并与给定速度进行比对产生速度的偏差.速度偏差经过速度PI调节器，输出用于转矩控制的电流的q轴参考分量和，（等于零）与电流反馈量的偏差进过电流PI调节器，分别送出dq0旋转坐标系的定子相电压矢量的分量Vd、vq，在通过Park逆变换转换成坐标系的定子相电压矢量 .

其中：PMSM的额定转矩为0.8 N.m，额定转速为3000 r/min，最大母线电压300 V.给定设置为200，仿真时间0.06 s，仿真结果见下图.

由图10转速曲线计算得出，系统的超调量为0.5%，调整时间0.004 s，稳态误差与震荡都很小.满足推进器的控制要求.

为了检测系统在变速运行时效果，给定一个幅值为200 rad/s，频率为50 Hz的信号，仿真结果11、12、13图.

如图11所示，验证设定值连续高频变化时的响应效果.表明在即使受到一定干扰也能够对电机的转速实现快速准确控制.

除了电机转速之外，如图12和图13所示，列出了电机转矩和三相电流的波形曲线.从其它角度再次验证了控制方式的鲁棒性.

4 结论

数控系统伺服电机控制篇4

1 数控机床伺服系统

1.1 开环伺服系统

开环伺服系统不设检测反馈装置, 不构成运动反馈控制回路, 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作, 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程, 采用步进电机作为驱动器件, 机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度, 难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高, 运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低, 且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。

1.2 全闭环伺服系统

闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器, 进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能, 采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件, 来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上, 其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度, 其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素, 对系统稳定性有很大影响, 使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。

1.3 半闭环伺服系统

半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同, 同样采用伺服电动机作为驱动部件, 可以采用内装于电机内的脉冲编码器, 无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统, 其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上, 进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外, 其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响, 安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关, 而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能, 在传动装置精度不太高的情况下, 可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

2 伺服电机控制性能优越

2.1 低频特性好

步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象, 运转非常平稳, 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, 可检测出机械的共振点, 便于系统调整。

2.2 控制精度高

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。例如松下全数字式交流伺服电机, 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。

2.3 过载能力强

步进电机不具有过载能力, 为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩, 选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机, 造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力, 例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍, 可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

2.4 速度响应快

步进电机从静止加速到额定转速需要200~400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快, 例如松下MSMA 400W交流伺服电机, 从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

2.5 矩频特性佳

步进电机的输出力矩随转速升高而下降, 且在较高转速时转矩会急剧下降, 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。

3 伺服电机控制展望

3.1 伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化

80年代以来, 数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构, 几乎不需维修, 体积相对较小, 有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中, 交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展, 数控系统的计算速度大大提高, 采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后, 大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网, 它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置, 网络连接, 进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展, 使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强, 大大推动了高精高速加工技术的发展。

另外, 先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器, 其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展, 与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑, 改进了电动机的磁路设计, 并配合高速数字伺服软件, 可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。

3.2 交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟

数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高, 实现高速化的成本相对较低, 所以目前应用广泛。使用滚, 珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min, 加速度1.5g。但滚珠丝杠是机械传动, 机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙, 相应会造成运动滞后和非线性误差, 所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来, 高速高精的大型加工机床中, 应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳, 运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动, 不需中间机械传动, 减小了机械磨损与传动误差, 减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比, 其速度提高30倍, 加速度提高10倍, 最大达10g, 刚度提高7倍, 最高响应频率达100Hz, 还有较大的发展余地。当前, 在高速高精加工机床领域中, 两种驱动方式还会并存相当长一段时间, 但从发展趋势来看, 直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明, 直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。

摘要：近年来, 伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构, 伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体, 并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步, 经历了从步进到直流, 进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。

关键词：数控系统,伺服电机,直接驱动

参考文献

[1]《交流伺服电机控制技术的研究》, 中国测试技术, 郑列勤, 2006.5.

[2]《数控机床及其使用维修》, 机械工业出版社, 卢斌, 2005.2.

伺服电机篇5

负载：5 Kg

任务：每分钟定位移动500次，每次不超过20um过冲。

分辨率：1um

配置：齿形皮带(一次共振频率为20Hz)，外接直线编码器，带CANbus或Profibus接口的Ecostep伺服。

采用23S31电机(见图1)，ECOSTEP100驱动器，外加1um的光电直线编码器。驱动系统的平均功耗约10W,可采用2A x 60VDC的电源。这就构成了一套经济实用的.高精度快速定位系统。

图1:23S31电机

23S31伺服电机通过齿形同步皮带拖动负载，直线编码器安装在直线平台上，直线编码器输出接ECOSTEP100的主编码器接口(master encoder)，通过ECOSTEP100内部的编程设置，可以使伺服系统基于直线编码器的反馈信号做位置环控制，其分辨率取决于直线编码器的分辨率。

我们可以把这套齿形皮带系统与传统的丝杠系统做一个性能对比。假如同步带轮周长为125mm,而丝杠导程为10mm,那么从图2可以看到：当位移小于15mm时，皮带系统会稍慢一点，但如果位移较长，那么皮带系统会快得多。控制器最大的挑战是解决两个物体之间因为配合问题产生的共振，它通常会导致50ms左右的定位延迟(见图3)。为了达到更好的性能，我们采用一个可调整的低通滤波器做前置反馈控制(feed forward control)

图2:定位时间与行程曲线

红色表示125mm带轮的皮带系统，绿色表示10mm导程的丝杠系统

图3:0.5mm的单步响应

伺服电机篇6

关键词电机工作任务课程改革

一、改革的缘由

教高[2006]16号文，即“关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见”中第四条要求加大课程建设与改革的力度，增强学生的职业能力。课程建设与改革是提高教学质量的核心，也是教学改革的重点和难点。要改革教学方法和手段，融“教、学、做”为一体，强化学生能力的培养。城市轨道交通车辆专业面向广州地铁、深圳地铁及珠三角城际轨道交通运营企业生产、管理第一线，培养掌握城市轨道交通车辆驾驶、检测、维修能力，并能熟练地运用所学知识从事城市轨道交通列车驾驶、车辆检修、车厂车辆调度和管理、列车运行控制等工作，既会做事、又会做人，具有健全人格的高素质技能型人才。

本专业学生职业专门技术能力的要求是：具有机械检修能力、维修电工操作能力、车辆机械设备维护能力和车辆电气设备检修、维护能力。

以前，《电机基础与机车车辆电机》课程是以学科体系进行教学的，这种方式已不能适应新时期职业教育的要求，课程改革迫在眉睫。

二、改革的方法与措施

1、依据用人单位的客观实际，以工作任务的形式设置教学内容。任务设计以机车车辆电机检修为线索来进行，其总体设计思路是把课程分为三个工作任务，分别是任务一：直流电机检修；任务二：变压器的保养与维护；任务三：三相异步电动机检修。课程内容突出对学生完成职业任务能力的培养，理论知识的选取紧紧围绕工作任务完成的需要来进行，同时又充分考虑高等职业教育对理论知识学习的需要，并融合了相关职业资格证书对知识、技能和态度的要求。教学过程中的实训环节充分利用电机实训基地的现有条件，分小组进行。

2、对考核方式进行改革。

(1)教学效果评价采取过程评价与结果评价相结合的方式，具体见表1。

(2)由于新的考核方式与原大纲期末考试(考试课)发生了冲突，所以按规定笔者递交了“广州铁路职业技术学院课程考核改革申请表”并获批准。

(3)课程中实训部分考核比较细致，分小组成员自评互评和教师评价，这样可以让学生相互监督、主动参与，又可让教师总体把握。见表2、表3和表4。

(4)加快电机实训基地的建设，制定《电机实验实训建设方案》。

(5)递交教材建设项目立项申请书，编写《机车车辆电机实训指导书》，对本门课程的实训部分进行详细指导。

本专业着力对本门课程的实训基地进行规划与建设，在专业团队的大力协作和学院各级领导的大力支持下，以建设院级、市级、省级及至国家级精品课程为目标。

三、实训成绩考核具体过程及改革效果

1、小组中每一成员填写一张表2，给自己和同组成员打分(自评与互评)。

2、由组长统计小组成员每人的得分，即将小组全部表格中某一位组员的成绩相加，取平均值，并将结果填在表3中。

3、每位小组长代表小组作总结发言，分析本小组的优点与缺点。

3、教师将成绩汇总在表4的小组得分一栏。

4、教师根据实训报告情况给每位学生评分，填在表4的教师评分一列。然后，按小组评分与教师评分各占50％的比例，算出本次实训的最后得分。

总之，整个实训的考核应非常细致，学生应高度参与。由于有自评与互评的环节。学生在实训中非常积极主动，热情高涨。在做的过程中学，达到良好的教学效果。通过前期的教学实践。采用任务驱动的教学方式，教学效果是明显的。据已经进行的“任务一”的大部分内容的教学，其中的实践环节特别成功。考核也按计划进行。学生对这种新型的方式大感兴趣，收到了良好的教学效果。此外，落实《电机实验实训建设方案》的关键是满足教学要求的实训设备。

伺服电机篇7

一般常用的调速回路有节流调速、容积调速等。其中节流调速具有调速效率较低, 发热较高, 并且调速范围不大等特点, 使得节流调速在一些要求重载、高速和大功率的场合不能使用;传统的液压容积调速是靠改变油泵或油马达的排量来调节系统的输出流量, 从而达到控制执行元件运行速度的目的。这种调速方法对各种干扰敏感, 往往需采用伺服变量机构, 而伺服变量机构对油液过滤精度要求高, 价格也昂贵。随着微电子技术和变频技术的发展, 人们逐渐认识到将交流伺服电动机运用到液压调速系统中, 可以不改变泵的排量, 而只是通过交流电动机来改变泵的转速, 从而改变泵的输出流量, 也可以达到调节执行元件速度的目的。在此系统中, 电机变频调速技术依靠改变供电电源的频率实现对电机转速的调节。将电机变频调速技术应用于液压系统, 即交流变频液压调速系统。交流变频液压调速系统一般由变频器、异步电机及液压系统组成。电动机始终处于高效率的工作状态, 其节能效果十分显著, 采用交流伺服电动机后的系统综合节电通常可达30%以上, 同时简化了液压回路, 减少了液压系统的能量损失。并且在具有交流伺服电动机的液压伺服系统中, 液压泵可以选用可靠性高但价格低廉的定量泵, 从而提高了系统的可靠性并降低了成本。这种系统具有和容积调速类似的性能。

常用的伺服电动机按照利用的电源可以分为:直流伺服电动机和交流伺服电动机。直流电动机具有良好的调速、起动和制动性能, 能经济方便地在大范围内平滑地调速, 所以在过去的工业自动化装置中, 直流伺服电动机占有很大的比重。然而, 由于直流电动机是采用电刷和换向器完成电枢电流的换向, 电刷和换向器之间是滑动接触, 运行中常产生火花和磨损, 因此换向器表面和电刷都需要经常维护和保养, 以保证直流电动机的正常运行, 这是直流电动机的致命弱点。交流电动机的调速比较困难, 长期以来大多应用在工业交流电源驱动的恒速运行的场合。随着微电子技术、大规模集成电路制造技术的发展, 各种功率变换元件 (可控硅、控制级可关断可控硅 (GTO) 、大功率晶体管、场效应晶体管 (MOSFET) 等) 以及它们的应用技术取得很大的进步。微型计算机的单片化, 加上数字控制技术和信息处理技术的发展, 变频逆变技术的研究和高可靠性、稳定性的逆变器的研制取得很大的发展, 交流电动机的调速控制技术愈来愈成熟和实用化。矢量控制理论和直接转矩控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。微处理机引入控制系统促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现, 大大简化了硬件, 提高了控制精度, 而自诊断功能和自调整功能的实现又可进一步提高系统可靠性, 节约大量人力和时间, 操作和维修都更加方便。

由于交流伺服电动机无电刷和换向器, 不需要维修, 与直流伺服电动机相比, 输出相同功率时, 交流伺服电动机重量轻, 液压系统的调速回路采用交流伺服电动机、可双向转动的定量泵取代了变量泵, 这个系统的最大特点是充分发挥交流伺服电动机的特性, 交流伺服电动机驱动可双向转动定量泵, 定量泵直接驱动油缸。通过改变交流伺服电动机的正反转、转速和运行时间来控制油缸的正反向、油缸的运动速度和运行位置。

采用交流伺服电动机的调速回路的优点在于:

1.调速范围宽、分辩率高、节能性好、抗污能力强、易于实现计算机控制等。

2.节能效果显著, 有效降低生产成本。采用交流伺服电动机的系统因为性能与容积调速类似, 因而避免了节流、溢流和卸荷损耗。但是这种系统优于容积调速的一点为它能提高伺服电动机效率和改善功率因数, 这是其它液压调速方式无法解决的。

3.提高了液压系统的寿命和可靠性。采用交流伺服电动机系统的液压泵价格低廉、可靠性高, 去掉了对环境要求较高的液压元件, 从而对传动介质及过滤要求可适当降低。并且由于电动机和泵长期在低于额定转速下运行减少了泵的磨损和系统的噪声, 提高了使用寿命和系统可靠性。

4.系统元件数目少, 管道布置减少, 可实现集成一体化, 体积小、重量轻、效率高。

浅谈直流伺服电机的驱动与应用篇8

关键词：单片机,伺服电机,控制,PWM信号

前言

本文以直流伺服电机为核心, 研究其在自动控制系统中的驱动与应用, 伺服电动机可以分为直流伺服电机与交流伺服电机, 直流伺服电机又分为有刷伺服电机与无刷直流伺服电机。本文针对目前市场中性价比较高的一款直流有刷伺服电机为例进行研究。

一、直流伺服电机的组成及工作原理

标准的直流伺服电机内部包括了一个直流电动机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。其中, 高速转动的电动机提供了原始动力, 带动变速齿轮组, 使之产生高扭矩的输出。齿轮组的变速比越大, 伺服电动机的输出扭矩也越大, 也就越能承受更大的重量, 但转动的速度也越低。一般标准的伺服电动机有三条连接线, 分别为:电源线、地线及控制线。电源线与地线用于提供内部电动机及控制线路所需的能源, 电压通常介于4V与6V之间。甚至伺服电动机在重负载时也会拉低放大器的电压, 所以整个系统的电源供应比例必须合理。

直流伺服电动机会接收由外部传来的PWM控制信号, PWM信号由伺服电动机控制线传输进入伺服电动机内部电子控制板上的信号调制芯片, 获得直流偏置电压;然后, 直流偏置电压与电位器的电压比较, 获得电压差输出;最后, 由正负极性的电压差输出到电动机驱动芯片决定电动机的转动方向。当电动机转动时, 通过级联减速齿轮带动电位器旋转, 使得电压差为零, 电动机停止转动。也有360度连续旋转的直流伺服电机, 其转动时不带动电位器旋转, 而是电位器给一个特定值。

二、直流伺服电机的驱动与控制原理

直流伺服电机的驱动与控制, 就要通过外部电路和给直流伺服电机控制端传输特定的控制信号, 即PWM信号, 对于PWM信号有一定的要求, 一般要求PWM信号周期为20ms, 高电平持续时间在0.5ms到2.5ms之间 (部分伺服电机对PWM信号周期时间要求并不是十分严格) , 而且在控制过程中还要对直流伺服电机进行零点校正。

对于直流伺服电机控制器以AT89S51单片机与外围器件为核心, 该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号, 由单片机端口输出, 输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。因为信号通过光耦传送过程中进行了反相, 因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反相。方波信号经过光耦传输后, 前沿和后沿会发生畸变, 因此反相器采用CD40106施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形, 产生标准的PWM方波信号。PWM信号产生由单片机软件完成, 本文中程序用C语言开发完成。直流伺服电机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流, 若直流伺服电机与单片机控制器共用一个电源, 则直流伺服电机会对单片机产生较大的干扰。因此建设在使用直流伺服电机时要与单片机控制器采用两个电源供电, 两者不共地, 通过光耦来隔离, 并且给直流伺服电机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源, 这样控制效果比较理想。

三、直流伺服电机的应用

直流伺服电机的控制与维护比较方便, 而且其控制精度高、体积小、重量轻、速度高、响应快、转动平滑、力矩稳定、惯性小、电磁辐射很小、寿命长等很多优点, 可以应用于敏感的普通工业、民用场合、高精度的工业控制等领域。通过对直流伺服电机研究的不断完善, 它可以应用于恶劣的工作环境和危险的工作场合, 也可以用于枯燥单调的重复性劳作机器人的动力执行部件, 具有一定的实际意义与社会价值。

我们将直流伺服电机作为机械臂的动力来源与执行部件, 实现一组高精度的机械臂运动控制。为高等学校教学提供机器人教学系统, 为学生提供一个开放性、创新性的实验教学展示平台, 通过对机械臂的亲自组装、调试和应用开发等创新实验, 让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术, 从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理;掌握机械传动部件的选择, 结构件的设计, 传感器的选择和使用, 电机的选择和使用, 计算机编程和调试等, 重点让学生了解关于机械臂运动控制及其执行机构的工作原理, 加深了对直流伺服电机的了解与应用。

结束语

伺服电机篇9

近年来, 随着科学技术不断发展, 伺服技术不断成熟, 它被更多的应用到智能控制、自动控制领域, 成为现代装备、自动化设备等不可缺少的一项重要技术。相比较一般变频调速电机而言, 伺服电机不但能够实现精准的速度控制, 而且能够实现精准的角度 (位置) 控制, 具有较强的动态特点。而PLC以其技术成熟、性能稳定等优势, 应用于伺服电机控制系统中, 能够提高其整体性能。

1 PLC概述

PLC, 是指一种可编程的控制器, 通过执行内部预存的程序实现用户指令的逻辑运算及顺序控制, 并通过数字或者模拟等形式实现机械动作。PLC主要由电源、中央处理单元及通讯模块等方面构成[1]。其中CPU作为PLC的核心, 起着神经中枢的重要作用。当PLC运行过程中, 首先以扫描的方式接收设备的状态及数据, 并从程序存储器中读取、分析用户指令, 然后执行逻辑或者运算, 发挥相应的控制功能。

PLC使用操作较为简单、应用范围较广, 且具有较强的抗干扰能力, 将其应用于伺服电机控制中, 能够显著增强系统整体性能。

2 PLC控制伺服电机的应用设计分析

伺服电机是一种将数字脉冲信号转换为机械角位移或者角速度的元件。在控制过程中, 通过执行元件, 仅需要输入脉冲顺序等信号, 即可以调整设备旋转的方向、速度、位移等, 这也成为它与其他电机存在差别的主要原因。

(1) 确定具体设计方案。综合对PLC与伺服电机系统特点的考虑, 对于系统的设计具体划分成四个部分:首先, 电源方面。利用AC220V为系统运行提供电力支持, 并采用符合安全的DC24V开关电源为PLC控制信号和伺服控制信号等供电;其次, 控制方面。作为整个系统运行的关键环节, 控制系统的设计主要以PLC为核心, 通过I/O等信号实现与操作者、设备之间的信息交互, 按照预存程序的逻辑, 发出控制信号给伺服驱动器, 实现对伺服电机的控制;再次, 设备精度。为了满足设备的精度要求, 还必须要考虑PLC能够提供的最大脉冲频率, 伺服能够接收的最大脉冲频率, 伺服电机的编码器精度及伺服的响应性能等。以便设计合理的脉冲当量, 选用合适的PLC、伺服电机及机械执行机构。最后, 执行方面。该环节由执行电机拖动需要的设备开展工作, 在具体应用过程中, 电机通过自身的编码器反馈给驱动器实现半闭环控制 (也可以根据需要在机械终端执行机构上加装反馈部件 (如光栅尺、编码器) , 把信号反馈给PLC实现全闭环控制) 。

(2) 对于系统细节的有效处理。PLC在伺服电机中的应用, 主要涉及PLC与伺服电机两方面, 因此对于细节的处理, 同样从这两方面入手:一方面, 电机方面。伺服电机作为伺服系统的核心, 其主要负责能量转换工作, 因此相对于其他电机而言, 其需要具备转换效率高、结构简单等特点。伺服电机又被称为执行电机, 在自动控制系统中, 作为执行环节, 其能够根据相应的指令控制信号等, 调整和优化电机的运行速度及方向[2]。基于精度、高效、快捷等目标, 本文选择松下MINAS A系列的交流伺服系统, 由于其内部主要采取的是32 位DSP, 运用IG-BTPWM控制方式。因此系统整体响应速度较快、且体积较小, 能够满足纺织机械、数控机床等多个领域发展需求;另一方面, PLC方面。在满足性能的前提下, 为了兼顾系统设计美观性及实用性, 在选择PLC时尽量选择尺寸较小的产品。本文选用与电机相配的松下EPO系列PLC, 它是同类产品中尺寸最小的, 可以安装在小型机器设备上。同时随着技术不断发展, 在PLC应用过程中, 还应考虑兼容问题, 使用单元表面的扩充连接器及单排触头构建层叠结构, 以此来拓展系统。

(3) 系统实现策略。第一, 位置控制方面。位置控制主要目标是促使执行系统对位置指令进行准确的跟踪, 而被控量始终是负载的空间位移, 当给定量发生变化情况下, 系统能够促使被控制量及时准确地反馈相关信息, 然后进行实时的控制调整。基于此, 设置反馈控制系统十分必要。在位置控制条件下, 伺服驱动器接收具体的位置指令信号, 并经过电子齿轮分频处理后, 控制IGBT以PWM脉冲形式驱动伺服电机旋转, 然后与反馈的脉冲信号形成偏差信号, 再进一步的调整PWM脉冲以实现伺服电机的精确控制。所谓反馈脉冲, 主要是指光电编码器检测器, 对设备运行实际情况检查, 获得的脉冲数, 并经过相应处理后而形成[3];第二, 速度控制方面。速度控制主要是确保设备能够按照用户指令要求, 第一时间做出相应的速度调整。速度控制是一个反馈控制系统。在系统运行过程中, PLC接到指令信号后, 对伺服驱动器进行启动或者停止处理, 并对信号进行模拟处理, 实现对电机运行速度的有效控制, 以此来达到控制要求及目标;第三, 控制精度方面。工业领域快速发展, 对于伺服电机的控制精度提出了更高要求。然而传统模式下, 高速脉冲输出方式属于开环位置控制, 无法及时获得具体的反馈信息, 仅能够提供发送服务, 一旦伺服驱动器等设备出现故障, PLC将无法发挥积极作用。因此对于伺服电机的设计, 笔者建议采取增加通信控制方式的方法, 当指令发送完成后, 伺服驱动器将会对发送的指令做出正确的响应, 实现对整个系统的准确控制;第四, 增益方面。伺服电机在应用中, 需要按照指令完成相应的任务, 不能够太滞后或超调。而实现这一目标的关键在于伺服控制增益的调整。目前伺服的增益调整可以采取自动调整与手动调整两种方式[4]。相比较两种方式的优势来看, 前者更具有适用性, 通过适当的调整, 如负载惯量要比平时惯量大三倍, 并控制在二十倍之内;确保震荡不会影响机械设备损坏, 即可实现对系统的增益调整。通常意义上来说, 机械的固有频率将会影响伺服电机的增益调整, 一旦机器的频率过低, 伺服系统将无法获得较快的响应特性。

3 结论

根据上文所述, 实践证明, PLC在伺服电机控制中的应用, 能够提高定位控制系统性能、且降低结构复杂性。技术不断发展, PLC在伺服电机中的应用将成为必然趋势。因此相关人员还应加强对技术的研究力度, 不断提高电机控制能力, 实现对整个生产全过程的控制, 从而促进相关领域可持续发展。

摘要：本文将从PLC概念、系统构成等入手, 深入探讨PLC控制伺服电机的应用设计。

关键词：PLC,伺服电机,应用设计

参考文献

[1]尙学彬.PLC控制伺服精确定位的设计及应用[J].才智, 2012 (25) :60-61.

[2]张文捷, 侯聪聪.PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].技术与市场, 2012 (12) :58.

[3]章玉婷.基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统设计[J].电子机械工程, 2013 (04) :31-33.

伺服电机篇10

滚珠丝杠又称滚珠螺杆, 是将回转运动转化为直线运动的部件, 滚珠丝杠由丝杠螺杆、滚珠和丝杠螺母组成。滚珠在丝杠螺杆与丝杠螺母间滚动, 属于滚动摩擦, 因此能取得比滑动摩擦高的传动效率。与过去的滑动丝杠相比, 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动, 启动扭矩极小, 所需驱动扭矩仅为前者的三分之一;不会产生滑动摩擦中出现的爬行现象, 所以能进行非常精确的微量进给。基于以上优点, 目前伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的情况越来越多。如何选择伺服电机的参数与运送的负载相匹配从而最大限度地发挥伺服电机的性能就成为系统选型的关键。本文主要从工件水平运动和垂直运动两方面介绍伺服电机的旋转扭矩的计算步骤。

1 伺服电机驱动滚珠丝杠水平运动时轴向负荷的计算

图1为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 水平左右往返运送负载时的轴向负荷Fan按式 (1) ~式 (6) 计算:

式中:Fa1为去路加速时的轴向负荷, N;Fa2为去路等速时的等速负荷, N;Fa3为去路减速时的等速负荷, N;Fa4为返程加速时的轴向负荷, N;Fa5为返程等速时的轴向负荷, N;Fa6为返程减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;μ为导向面上的摩擦因数;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。

式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。

2 伺服电机驱动滚珠丝杠垂直运动时轴向负荷的计算

图2为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 垂直上下往返运送负载时的轴向负荷Fan按下式计算。

式中:Fa1为上升加速时的轴向负荷, N;Fa2为上升等速时的等速负荷, N;Fa3为上升减速时的等速负荷, N;Fa4为下降加速时的轴向负荷, N;Fa5为下降等速时的轴向负荷, N;Fa6为下降减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。

加速度a可通过下式求出:

式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。

3 伺服电机所需的旋转扭矩的计算

将滚珠螺杆的旋转运动转换成丝杠螺母的直线运动所需要的旋转扭矩可以由式 (15) ~式 (21) 求出。

式中:Tt为等速时需要的旋转扭矩, N·mm;T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;T2为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm;T4为其它扭矩, N·mm。

式中:Tk为加速时需要的旋转扭矩, N·mm;T3为加速时需要的扭矩, N·mm。

式中:Tg为减速时需要的旋转扭矩, N·mm。

驱动滚珠丝杠旋转所需的旋转扭力之中, 由外部负荷 (主要指接触面的摩擦阻力) 所需要的旋转扭矩, 可根据下式求出:

式中:T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;Fa为轴向负荷, N;Ph为滚珠丝杠的导程, mm;η为滚珠丝杠的效率, 0.9~0.95;A为减速比。

由滚珠丝杠出厂前施加的预压力引起的预压扭矩

式中:Td为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm。

滚珠丝杠加速运送负载时所需的加速扭矩[1]

式中:J为转动惯量, kg·m2;ω′为角加速度, rad/s2。

式中:Ph为滚珠丝杠的导程, mm;Js为丝杠轴的惯性力矩, kg·m2;JA为丝杠轴侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2;JB为马达侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2。

式中:Nm为马达转速, r/min;t为加速时间, s。

式中:J为圆形物的转动惯量[3], kg·m2;m为圆形物的质量, kg;D为丝杠轴外径, mm。

计算出等速时的旋转扭矩Tt、加速时的旋转扭矩Tk、减速时的旋转扭矩Tg, 取其中数值最大者即为选用伺服电机时参考的最小扭矩。

4 结语

目前, 用该种计算方法所选用的伺服电机已经应用于实际中, 从伺服电机反馈的参数来看, 此种计算方法完全合理可靠。

摘要：针对伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的应用, 介绍了伺服电机旋转扭矩的计算步骤, 以及相应的公式。

关键词：伺服电机,滚珠丝杠,旋转扭矩

参考文献

[1]哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学[M].北京:高等教育出版社, 1997:264-265.

[2]孙恒, 陈作模.机械原理[M].6版.北京:高等教育出版社, 2001:160-162

人体发电机篇11

突然间，戴耳机已成了生活习惯。

每个人对耳机都有不同的需求：音乐发烧友为了享受原汁原味的音乐而选用高保真的耳机；商务人士在驾车时使用蓝牙耳机与世界保持联系；而为了隔绝公交地铁的杂音，入耳式耳机也成了上班族的首选。除去功能，耳机也是彰显时尚的一种装饰。大大的头戴式耳机也成了青年们张扬个性的一种方式。然而对geek们来说，这些耳机可称不上“酷”。在他们眼里，耳机长什么样都是浮云，一个能够依靠人体自身能量工作的耳机，才算是真的帅气。

等一下，耳机不都需要电力才能工作的吗？难道人体内还藏着电池不成？恭喜你，答对了！人体内大多数的细胞都可以看做是一个“小电池”，而这些电池放出的电对人体起了至关重要的作用。人的神经细胞产生的电信号可以快速到达全身，而肌肉在接收到这些信号后也会相应地产生收缩。

生物电也可以影响激素的分泌，比如产生胰岛素的细胞就属于这一类型。此外，在细胞内部产生能量的场所——线粒体中，也存在着一个微小的电压。这些生物电的强度本身并不大，神经细胞间传导的电信号只有约40微伏，而线粒体内的电压也只有150微伏。不过可不要小看这些电压。由于细胞的小尺度，这些电压产生的电场强度竟可与大气闪电相媲美，更是远胜普通的家用电器。

这样的生物电也存在耳蜗中，正因为这唾手可得的能源，使得科学家们萌发了制造生物耳机的想法。但是上文中提及的问题却摆在了面前——普通耳机的工作电压大约在3伏左右，这可要比耳蜗产生的电压高上两个数量级呢。不过这个难题最近被哈佛大学医学院的一个研究组攻克了。他们制造了一个比指甲盖还要小的芯片。在植入耳蜗之后，这个芯片能够起到收集生物电，并输出更高的电压的作用。在实验用的豚鼠耳蜗中，这个芯片已经能释放出1.5伏的电压，并足以使芯片上附带的一个无线信号发射器工作长达5小时之久。

刚问世的技術难免会有些不足，这项技术也不例外。研究组的领头人斯坦科维奇教授指出虽然在短时间内，植入的芯片并不会损害豚鼠的听力，但芯片上的电极仍然可能在长期使用后对耳蜗内一些敏感的组织产生影响。未来的第一步是要减小这些芯片的尺寸，大大降低它们对耳蜗造成伤害的可能性。克服这一步后，这些不需要电池的芯片就可能为耳机供电了。要知道，这可是真正的“入耳式耳机”呢。

当然，耳机只是这个技术的一个小小衍生物。利用生物本身产生的电流来为医疗设备供能可以减少这些设备在设计上对电池槽的需求，从而减小它们的体积。对于一部分的失聪患者来说，这将为他们听到声音提供契机。这项来源于耳蜗的技术也并不只限于耳部。由于无处不在的生物电，同样的芯片可以被植入到大脑枕叶、面部神经，甚至是心血管中检测是否有预示着病变的分子产生，并通过无线信号传送到医生那里，使患者得以接受第一时间的诊断和治疗。此外，这项技术或许还会受到好莱坞导演的垂青。还记得《碟中谍4》中那个眨眼就能扫描文件的隐形眼镜吗？或许在下一部电影中，阿汤哥会通过耳蜗里的小芯片获得总部的指示呢。