關(guān)于伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器的一些原理詳解

伺服的結(jié)構(gòu)是怎樣的？一個(gè)最簡(jiǎn)易的伺服控制單元，就是一個(gè)伺服電機(jī)加伺服控制器，今天就來(lái)解析下伺服電機(jī)與伺服控制器。

電機(jī)動(dòng)作的原理

右手螺旋法則（安培定則）——通電生磁

安培定則，也叫右手螺旋定則，是表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；通電螺線管中的安培定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

弗來(lái)明左手法則——磁生力

確定載流導(dǎo)線在外磁場(chǎng)中受力方向的定則。又稱電動(dòng)機(jī)定則。左手平展，大拇指與其余4指垂直，手心沖著N級(jí)，4指為電流方向，大拇指為載流導(dǎo)線在外磁場(chǎng)中受力方向。

DC伺服馬達(dá)結(jié)構(gòu)

伺服控制單元

※ SERVO 語(yǔ)源自拉丁語(yǔ)，原意為“奴隸”的意思，指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是把上位控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

1. 控制器：動(dòng)作指令信號(hào)的輸出裝置。

2. 驅(qū)動(dòng)器：接收控制指令，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的裝置。

3. 伺服馬達(dá)：驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象、并檢出狀態(tài)的裝置。

伺服馬達(dá)的種類

伺服馬達(dá)的種類，大致可分成以下三種：

1. 同步型：采用永磁式同步馬達(dá)，停電時(shí)發(fā)電效應(yīng)，因此剎車容易， 但因制程材料上的問題，馬達(dá)容量受限制?！不剞D(zhuǎn)子：永久磁鐵；固定子：線圈〕

2. 感應(yīng)型：感應(yīng)形馬達(dá)與泛用馬達(dá)構(gòu)造相似，構(gòu)造堅(jiān)固、高速時(shí)轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)良好，但馬達(dá)較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上)大多為此形式?；剞D(zhuǎn)子、固定子皆為線圈〕

3. 直流型：直流伺服馬達(dá)，有碳刷運(yùn)轉(zhuǎn)磨耗所產(chǎn)生粉塵的問題，于無(wú)塵要求的場(chǎng)所就不宜使用，以小容量為主?！不剞D(zhuǎn)子：線圈；固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷〕

SM 同 步 形 伺 服 馬 達(dá)

特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1. 免維護(hù)。2. 耐環(huán)境性佳。3. 轉(zhuǎn)矩特性佳，定轉(zhuǎn)矩。4. 停電時(shí)可發(fā)電剎車。5. 尺寸小、重量輕。6. 高效率。

缺點(diǎn)：1. AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。2. MOTOR及AMP必需1：1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。

IM 感 應(yīng) 形 伺 服 馬 達(dá)

特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1. 維護(hù)容易。2. 耐環(huán)境性佳。3. 高速時(shí)，轉(zhuǎn)矩特性佳。4. 可制做大容量，效率佳。5. 構(gòu)造堅(jiān)固。

缺點(diǎn)：1. 小容量機(jī)種，效率差。2. AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。3. 停電時(shí)，無(wú)法動(dòng)態(tài)剎車。4. 隨溫度變動(dòng)影響特性。5. AMP與MOTOR必需1：1使用。

DC 直 流 形 伺 服 馬 達(dá)

特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1. 伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單。2. 停電時(shí)可發(fā)電剎車。3. 體積小、價(jià)格低。4. 效率佳。

缺點(diǎn)：1. 整流子外圍需定期保養(yǎng)。2. 碳刷磨耗產(chǎn)生(碳粉)，無(wú)法應(yīng)用于要求凊絜的場(chǎng)所。3. 因整流器碳刷的問題，高速時(shí)轉(zhuǎn)矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

伺服的控制原理

伺服系統(tǒng)的最大特色：透過(guò)回饋信號(hào)的控制方式〔可做指令值與目標(biāo)值的比較，因而大幅減少誤差狀況〕。

何謂回饋信號(hào)：向控制對(duì)象下達(dá)指令后，正確的追蹤并查明現(xiàn)在值，且隨時(shí)回饋控制內(nèi)容的偏差值、待目標(biāo)物到達(dá)目的地后，回饋位置值，如此反復(fù)動(dòng)作。

控制流程：檢測(cè)機(jī)械本體之位置檢出，回路為封閉系統(tǒng)，稱之為全閉回路 。相反，檢測(cè)馬達(dá)軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。

伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部構(gòu)成

整流部：通過(guò)整流部，將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，?jīng)電容濾波，產(chǎn)生平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)的直流電源。

逆變部：由控制部過(guò)來(lái)的SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，將直流電源變?yōu)镾PWM波形，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

控制部分：伺服單元采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，通過(guò)高性能的硬件支持，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化，現(xiàn)在所有的伺服已采用（DSP數(shù)字信號(hào)處理）芯片，DSP，能夠執(zhí)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制器的功能。給出PWM信號(hào)控制信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。

編碼器：伺服電機(jī)配有高性能的轉(zhuǎn)角測(cè)量編碼器，可以精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置與電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來(lái)越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管 （MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGPT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。

尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡(jiǎn)稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號(hào)完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。