伺服電機(jī)servomotor   



“伺服”一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思?！八欧姍C(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。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。


   伺服電機(jī)的分類   



伺服電機(jī)分為交流伺服和直流伺服兩大類。



交流伺服電機(jī)的基本構(gòu)造與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)）相似。在定子上有兩個(gè)相空間位移90°電角度的勵(lì)磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。



交流伺服電機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可控性好、響應(yīng)快速、靈敏度高以及機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴(yán)格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點(diǎn)。



直流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：速度控制精確，轉(zhuǎn)矩速度特性很硬，控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格便宜。



缺點(diǎn)：電刷換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒(無(wú)塵易爆環(huán)境不宜)。


直流伺服電機(jī)基本構(gòu)造與一般直流電動(dòng)機(jī)相似。電機(jī)轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動(dòng)勢(shì)，K為常數(shù)，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變?chǔ)?，均可控制直流伺服電?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時(shí)間響應(yīng)。

交流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無(wú)振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無(wú)電刷磨損，免維護(hù)（適用于無(wú)塵、易爆環(huán)境）。



缺點(diǎn)：控制較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)使用環(huán)境有要求，通常用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

無(wú)刷電機(jī)體積小重量輕，出力大響應(yīng)快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，控制復(fù)雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機(jī)免維護(hù)，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長(zhǎng)，適用于各種環(huán)境。

交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，其功率范圍大，功率可以做到很大，大慣量，最高轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)速隨功率增大而勻速下降，適用于低速平穩(wěn)運(yùn)行場(chǎng)合。

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制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)自帶的編碼器將反饋信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)器，對(duì)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而調(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)）。

Q

交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)在性能上有什么區(qū)別?
A

交流伺服電機(jī)的性能要好一些，因?yàn)榻涣魉欧钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小；而無(wú)刷直流伺服是梯形波控制。但無(wú)刷直流伺服實(shí)現(xiàn)控制比較簡(jiǎn)單，便宜。



永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的迅猛發(fā)展使直流伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機(jī)[/p][p=30，2，left]20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(guó)著名電氣廠商相繼不斷推出新的交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品。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，使直流伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機(jī)。



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：



（1）無(wú)電刷和換向器，運(yùn)行更可靠，免維護(hù)。

（2）定子繞組發(fā)熱大大減少。

（3）慣量小，系統(tǒng)快速響應(yīng)性好。

（4）高速大力矩工作狀態(tài)好。

（5）相同功率下體積小重量輕。

   伺服電機(jī)原理   



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。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，連接控制信號(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(wú)“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，杯壁僅0.2~0.3mm，空心杯形轉(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。

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)的工作原理與電容運(yùn)轉(zhuǎn)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)與電容運(yùn)轉(zhuǎn)式異步電動(dòng)機(jī)相比，有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

1. 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，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)。

2. 運(yùn)行范圍寬：運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。

3. 無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：運(yùn)轉(zhuǎn)中的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

   精密傳動(dòng)微特電機(jī)   



“精密傳動(dòng)微特電機(jī)”能夠在系統(tǒng)中快速而正確地執(zhí)行頻繁變化的指令，帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)完成指令所期望的工作，大多能夠滿足以下要求：

1. 能頻繁啟動(dòng)、停止、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)及低速運(yùn)行，且機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱等級(jí)高、絕緣等級(jí)高。
2. 快速相應(yīng)能力好，轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，時(shí)間常數(shù)小。
3. 帶有驅(qū)動(dòng)器和控制器(如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))，控制性能良好。
4. 高可靠性，高精度。

精密傳動(dòng)微特電機(jī)的類別及其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)比如下：


交流伺服電機(jī)

（1）籠型兩相交流伺服電機(jī)（細(xì)長(zhǎng)籠型轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、體積和勵(lì)磁電流小、小功率伺服、低速運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平滑）。



（2）非磁性杯型轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電機(jī)（空心杯轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、體積和勵(lì)磁電流較大、小功率伺服、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平滑）。



（3）鐵磁杯型轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電機(jī)（鐵磁材料杯型轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、齒槽效應(yīng)小、運(yùn)行平穩(wěn)）。



（4）同步型永磁交流伺服電機(jī)（由永磁同步電機(jī)、測(cè)速機(jī)及位置檢測(cè)元件同軸一體機(jī)組，定子為3相或2相，磁性材料轉(zhuǎn)子，必須配驅(qū)動(dòng)器；調(diào)速范圍寬、機(jī)械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)組成，可連續(xù)堵轉(zhuǎn)，快速相應(yīng)性能好，輸出功率大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小；有方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)兩種方式，控制性能好，為機(jī)電一體化產(chǎn)品）。



（5）異步型三相交流伺服電機(jī)（轉(zhuǎn)子與籠型異步電機(jī)相似，必須配驅(qū)動(dòng)器，采用矢量控制，擴(kuò)大了恒功率調(diào)速范圍，多用于機(jī)床主軸調(diào)速系統(tǒng)）。



直流伺服電機(jī)

（1）印制繞組直流伺服電機(jī)（盤形轉(zhuǎn)子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，無(wú)齒槽效應(yīng)，無(wú)飽和效應(yīng)，輸出轉(zhuǎn)矩大）。

（2）線繞盤式直流伺服電機(jī)（盤形轉(zhuǎn)子、定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，控制性能優(yōu)于其他直流伺服電機(jī)，效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大）。

（3）杯型電樞永磁直流電機(jī)（空心杯轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適用于增量運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)）。

（4）無(wú)刷直流伺服電機(jī)（定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁式，帶轉(zhuǎn)子位置傳感器，無(wú)火花干擾，壽命長(zhǎng)，噪聲低）。


力矩電機(jī)

（1）直流力矩電機(jī)（扁平結(jié)構(gòu)，極數(shù)槽數(shù)換向片數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多；輸出轉(zhuǎn)矩大，低速或堵轉(zhuǎn)下可連續(xù)工作，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，機(jī)電時(shí)間常數(shù)?。?。

（2）無(wú)刷直流力矩電機(jī)（與無(wú)刷直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，但為扁平狀，極數(shù)槽數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多；輸出轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，壽命長(zhǎng)，無(wú)火花，噪聲低）。

直線電機(jī)（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)軌等可作為二次導(dǎo)體，適用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；高速伺服性能好，功率因數(shù)和效率高，恒速運(yùn)行性能優(yōu)）。