伺服電機特點及分類

伺服電機servomotor

“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思?！八欧姍C”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。

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類

交流伺服電機的基本構(gòu)造與交流感應電動機(異步電機)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，達到控制電機運行的目的。 交流伺服電機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

直流伺服電機基本構(gòu)造與一般直流電動機相似。電機轉(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。直流伺服電動機具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應。

直流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：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，價格便宜。

缺點：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)

交流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(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)，額定運行區(qū)域內(nèi)，可實現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護(適用于無塵、易爆環(huán)境)

缺點：控制較復雜，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。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機

有刷電機成本低，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，但維護方便(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。

無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，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)運行場合。伺服電機(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，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。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當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。

直流伺服電機分為有刷電機和無刷電機：有刷電機結(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，但維護方便(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。無刷電機具有產(chǎn)量大、重量輕、體積小、速度高、響應快、慣性小、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定等優(yōu)點，控制復雜、易于實現(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。電機效率高、免維護、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伺服電機可用于火花機、機械手、精 密機床等，同時可配2500P/R標準編碼器和高解析的速度表，還可配減速器，為機械設(shè)備帶來可靠的精度和高扭矩。直流伺服電機調(diào)速好、單位重量體積小、輸出功率高，比交流電機大，遠遠超過步進電機，多級結(jié)構(gòu)的力矩波動較小。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步電機和異步電機。目前運動控制一般采用同步電機，功率范圍大，可以實現(xiàn)很大的功率。交流伺服電機慣性大、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)定運行。交流伺服電機的定子結(jié)構(gòu)與電容分相單相異步電機的定子結(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，交流伺服電機也稱為雙伺服電機。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子通常采用鼠籠式，但是為了使伺服電機具有寬調(diào)速范圍、線性機械特性、無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應性能，它與普通電機相比應具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小兩個特點。

伺服電機內(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值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，伺服電機的精度取決于編碼器的精度。

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

(1)小慣性直流伺服電機

小慣性直沈伺服電機因轉(zhuǎn)動慣盆小而得名。這類電機一般為水磁式，電樞繞組有無相電樞式、印刷電樞式和空心杯電樞式三種。因為小慣量直流電機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速度。在早期的數(shù)控機床上。這類伺服電機應用得比較多。小恤見伺服電機在有些國家的數(shù)控機床上至今仍然在使用。如法國等。

(2)直流力矩電機

又稱大慣量寬調(diào)速直流伺服電機。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小。它還有一個突出的特點，是能夠在較低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)平穩(wěn)運行，最低轉(zhuǎn)速可以達到1r/min，甚至0.1r/min。因此。這種伺服電機在數(shù)控機床上得到了廣泛地應用。

(3)無刷直流伺服電機

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