如何讓伺服電機乖乖工作

“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機：在控制信號發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；當控制信號發(fā)出時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當控制信號消失時，轉(zhuǎn)子能即時停轉(zhuǎn)。 伺服電機是自動控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機，其功能是將電信號轉(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（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移。 因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。

直流和交流伺服電機

伺服電動機又叫執(zhí)行電動機，或叫控制電動機。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動機有直流和交流之分。

一、交流伺服電動機

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

交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。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)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細長；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)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

圖1 交流伺服電動機原理圖

圖2 空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負載恒定的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

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

1、起動轉(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，與普通異步電動機的轉(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（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。

圖3?伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性

2、運行范圍較寬

如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(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機的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T是制動轉(zhuǎn)矩，從而使電動機迅速停止運轉(zhuǎn)。

圖4?伺服電動機單相運行時的轉(zhuǎn)矩特性

圖5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降。

圖5 伺服電動機的機械特性

交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz， 電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動機運行平穩(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機相比，體積大、重量重。

交流伺服電機的定子裝有三相對稱的繞組，而轉(zhuǎn)子是永久磁極。當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)生一個旋轉(zhuǎn)場。這個旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)速也就是磁場的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運行。所以它比異步電機的調(diào)速范圍更寬。而與直流伺服電機相比，它沒有機械換向器，特別是它沒有了碳刷，完全排除了換向時產(chǎn)生火花對機械造成的磨損，另外交流伺服電機自帶一個編碼器。可以隨時將電機運行的情況“報告”給驅(qū)動器，驅(qū)動器又根據(jù)得到的“報告”更精確的控制電機的運行。由此可見交流伺服電機優(yōu)點確實很多?？墒羌夹g(shù)含量也高了，價格也高了。最重要是對交流伺服電機的調(diào)試技術(shù)提高了。也就是電機雖好，如果調(diào)試不好一樣是問題多多。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動， 同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

永磁交流伺服電動機

20世紀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)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(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機和伺服驅(qū)動器系列產(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。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機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：

⑴?電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(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、直流伺服電動機

直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和一般直流電動機一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。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 直流伺服電動機接線圖

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

圖7 直流伺服電動機的n=f（T）曲線

直流伺服電動機和交流伺服電動機相比，它具有機械特性較硬、輸出功率較大、不自轉(zhuǎn)，起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點。

編輯：黃飛

?