伺服電機(jī)是如何工作的

“伺服電機(jī)”可以理解為絕對(duì)服從控制信號(hào)指揮的電機(jī)：在控制信號(hào)發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能即時(shí)停轉(zhuǎn)。 伺服電機(jī)是自動(dòng)控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機(jī)，其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。

工作原理 伺服系統(tǒng)（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。 因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。 直流和交流伺服電機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)又叫執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，或叫控制電動(dòng)機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)執(zhí)行元件，它的作用是把信號(hào)（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分。一、交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似，如圖1所示。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖2所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

圖1 交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖

圖2 空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：

1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

圖3伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

2、運(yùn)行范圍較寬

如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動(dòng)機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）如圖4所示，與普通的單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩T是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性

圖5是伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時(shí)，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。

圖5 伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz， 電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重。

交流伺服電機(jī)的定子裝有三相對(duì)稱的繞組，而轉(zhuǎn)子是永久磁極。當(dāng)定子的繞組中通過三相電源后，定子與轉(zhuǎn)子之間必然產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。所以它比異步電機(jī)的調(diào)速范圍更寬。而與直流伺服電機(jī)相比，它沒有機(jī)械換向器，特別是它沒有了碳刷，完全排除了換向時(shí)產(chǎn)生火花對(duì)機(jī)械造成的磨損，另外交流伺服電機(jī)自帶一個(gè)編碼器?？梢噪S時(shí)將電機(jī)運(yùn)行的情況“報(bào)告”給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器又根據(jù)得到的“報(bào)告”更精確的控制電機(jī)的運(yùn)行。由此可見交流伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)確實(shí)很多?？墒羌夹g(shù)含量也高了，價(jià)格也高了。最重要是對(duì)交流伺服電機(jī)的調(diào)試技術(shù)提高了。也就是電機(jī)雖好，如果調(diào)試不好一樣是問題多多。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)， 同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：

⑴電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。

⑵子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

二、直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長(zhǎng)一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。也有永磁式的，即磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵(lì)磁電壓f一定，建立的磁通量Φ也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖6所示。

圖6 直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖

圖7 是直流伺服電動(dòng)機(jī)在不同控制電壓下（Uc為額定控制電壓）的機(jī)械特性曲線。由圖可見：在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，如果升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之，降低電樞電壓，轉(zhuǎn)速就下降；當(dāng)Uc＝0時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，可改變電樞電壓的極性。

圖7 直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f（T）曲線

直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)相比，它具有機(jī)械特性較硬、輸出功率較大、不自轉(zhuǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。