伺服電機(jī)servomotor

“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思。“伺服電機(jī)”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機(jī)：在控制信號發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子靜止不動;當(dāng)控制信號發(fā)出時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當(dāng)控制信號消失時，轉(zhuǎn)子能即時停轉(zhuǎn)。

伺服電機(jī)是自動控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機(jī)，其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。

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)電動機(jī)(異步電機(jī))相似。 在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組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)基本構(gòu)造與一般直流電動機(jī)相似。電機(jī)轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，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φ，均可控制直流伺服電動機(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機(jī)中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動機(jī)具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應(yīng)。

直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(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(無塵易爆環(huán)境不宜)

交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，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，無電刷磨損，免維護(hù)(適用于無塵、易爆環(huán)境)

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

直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(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，對使用環(huán)境有要求，通常用于對成本**的普通工業(yè)和民用場合。

無刷電機(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，適用于各種環(huán)境。

交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動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，**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)行場合。伺服電機(jī)(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

直流伺服電機(jī)分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)：有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便(換碳刷)，因此它可用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機(jī)具有產(chǎn)量大、重量輕、體積小、速度高、響應(yīng)快、慣性小、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，控制復(fù)雜、易于實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換向方式靈活，可以是方波換向，也可以是正弦波換向。電機(jī)效率高、免維護(hù)、電磁輻射小、工作溫度低、使用壽命長，可在各種環(huán)境下使用。DC伺服電機(jī)可用于火花機(jī)、機(jī)械手、精 密機(jī)床等，同時可配2500P/R標(biāo)準(zhǔn)編碼器和高解析的速度表，還可配減速器，為機(jī)械設(shè)備帶來可靠的精度和高扭矩。直流伺服電機(jī)調(diào)速好、單位重量體積小、輸出功率高，比交流電機(jī)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過步進(jìn)電機(jī)，多級結(jié)構(gòu)的力矩波動較小。

交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。目前運(yùn)動控制一般采用同步電機(jī)，功率范圍大，可以實(shí)現(xiàn)很大的功率。交流伺服電機(jī)慣性大、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)速低，隨著功率的增加迅速降低，因此適合低速穩(wěn)定運(yùn)行。交流伺服電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與電容分相單相異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相似，它的定子裝有兩個位置相差90的繞組，一個是勵磁繞組Rf，始終接交流電壓Uf;另一個是連接到控制信號電壓Uc的控制繞組L。因此，交流伺服電機(jī)也稱為雙伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用鼠籠式，但是為了使伺服電機(jī)具有寬調(diào)速范圍、線性機(jī)械特性、無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)性能，它與普通電機(jī)相比應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小兩個特點(diǎn)。

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是一個磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成一個電磁場，轉(zhuǎn)子在這個磁場的作用下旋轉(zhuǎn)。同時，電機(jī)的編碼器將信號反饋給驅(qū)動器，驅(qū)動器將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，伺服電機(jī)的精度取決于編碼器的精度。

在數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)給系統(tǒng)常用直流伺服電機(jī)主要有以下幾種：

(1)小慣性直流伺服電機(jī)

小慣性直沈伺服電機(jī)因轉(zhuǎn)動慣盆小而得名。這類電機(jī)一般為水磁式，電樞繞組有無相電樞式、印刷電樞式和空心杯電樞式三種。因?yàn)樾T量直流電機(jī)最大限度地減小了電樞的轉(zhuǎn)動慣量。所以能獲得最快的響應(yīng)速度。在早期的數(shù)控機(jī)床上。這類伺服電機(jī)應(yīng)用得比較多。小恤見伺服電機(jī)在有些國家的數(shù)控機(jī)床上至今仍然在使用。如法國等。

(2)直流力矩電機(jī)

又稱大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)。一方面，由于它的轉(zhuǎn)子直徑較大。線圈繞組匝數(shù)增加。力矩大。轉(zhuǎn)動飯盆比較其他類型電機(jī)大。且能夠在較大過載轉(zhuǎn)矩時長時間地工作。因此可以直接與絲杠相連，不豁要中間傳動裝置。另一方面，由于它沒有勵磁回路的損耗，它的外型尺寸比類似的其他直流伺服電機(jī)小。它還有一個突出的特點(diǎn)，是能夠在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，最低轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1r/min，甚至0.1r/min。因此。這種伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛地應(yīng)用。

(3)無刷直流伺服電機(jī)

這種伺服電機(jī)又叫無整流子電機(jī)。它沒有換向器。由同步電機(jī)和逆變器組成，逆變器由裝在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。它實(shí)質(zhì)是一種交流調(diào)速電機(jī)，由于其調(diào)速性能可達(dá)到直流伺服發(fā)電機(jī)的水平。又取消了換向裝置和電刷部件，大大地提高了電機(jī)的使用壽命。