直流伺服系統(tǒng)的工作原理是什么？由哪些器件構(gòu)成？

機(jī)電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動(dòng)到自動(dòng);在控制功能上，是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜;在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開(kāi)拓了新途徑。

傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制是繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開(kāi)關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的啟動(dòng)、停車(chē)、有極調(diào)速等控制。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)床和機(jī)械設(shè)備。目前，在我國(guó)繼電器接觸式控制仍然是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開(kāi)關(guān)量控制的簡(jiǎn)單的程序控制過(guò)程，而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置，叫做順序控制器。它能根據(jù)生產(chǎn)需要改變控制程序，而又遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，它是通過(guò)組合邏輯元件插接或編程來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到一定限制。隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——可編程序控制器(PLC)，它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前在世界各國(guó)已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

伺服電機(jī)是用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械部件。伺服系統(tǒng)是一個(gè)帶有輸出軸的微小部件。由于執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，伺服提供了高速控制精度。當(dāng)電機(jī)接收到信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)會(huì)根據(jù)操作員的指示加快操作速度。如果機(jī)械系統(tǒng)的目的是確定特定物體的位置，則該系統(tǒng)稱為伺服機(jī)構(gòu)。而伺服電機(jī)有直流和交流兩種工作方式。文章將主要介紹直流伺服電機(jī)工作原理與其特點(diǎn)。

直流電機(jī)與伺服機(jī)構(gòu)(閉環(huán)控制系統(tǒng))一起充當(dāng)伺服電機(jī)，在自動(dòng)化行業(yè)中基本上用作機(jī)械傳感器?；谄渚_的閉環(huán)控制，它在許多行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

通常伺服電機(jī)根據(jù)其運(yùn)行所使用的電源性質(zhì)分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。有刷永磁直流伺服電機(jī)由于其成本、效率和簡(jiǎn)單性而用于簡(jiǎn)單的應(yīng)用。

直流伺服電機(jī)工作原理

直流伺服電機(jī)是由四個(gè)主要部件組成的組件，即直流電機(jī)、位置傳感裝置、齒輪組件和控制電路。直流電機(jī)的所需速度取決于所施加的電壓。為了控制電機(jī)速度，電位器產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓被施加到誤差放大器的輸入之一。

直流伺服電機(jī)工業(yè)原理

在一些電路中，控制面板用于產(chǎn)生與電機(jī)所需位置或速度相對(duì)應(yīng)的直流參考電壓，并將其應(yīng)用于帶電壓轉(zhuǎn)換器的脈沖。脈沖的長(zhǎng)度決定了施加到誤差放大器上的電壓作為所需電壓，以產(chǎn)生數(shù)字控制 PLC 或任何其他設(shè)備所需的速度或位置。

反饋傳感器通常是電位器，它們通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生與電機(jī)軸絕對(duì)角度相對(duì)應(yīng)的電壓。反饋電壓值施加在輸入誤差比較器放大器上，將由電位計(jì)反饋產(chǎn)生的電機(jī)當(dāng)前位置產(chǎn)生的電壓與電機(jī)所需位置產(chǎn)生的電壓進(jìn)行比較，以減少正電壓或負(fù)電壓的誤差。只要存在誤差，該誤差電壓就會(huì)隨著誤差增加施加到電樞的輸出電壓而增加。比較放大器放大誤差電壓和相應(yīng)的電樞功率，電機(jī)填充誤差為零。如果誤差為負(fù)，則電樞電壓消失，因此電樞電壓反轉(zhuǎn)，電樞沿相反方向旋轉(zhuǎn)。

直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)有哪些

直流伺服電機(jī)中有一個(gè)帶有正負(fù)端子的直流電 (DC)。在這些端子中的每一個(gè)之間，電流以完全相同的方向流動(dòng)。伺服電機(jī)的慣量應(yīng)該更小以保證精度和準(zhǔn)確度。直流伺服電具有快速響應(yīng)，這可以通過(guò)保持高扭矩重量比來(lái)獲得。此外，直流伺服電的速度特性應(yīng)該是線性的。

使用直流伺服電機(jī)，電流控制比使用交流伺服電機(jī)簡(jiǎn)單得多，因?yàn)槲ㄒ坏目刂埔笫请娏麟姌蟹取ｋ姍C(jī)速度由占空比控制的脈寬調(diào)制 (PWM) 控制。控制通量用于管理扭矩，從而在每個(gè)活動(dòng)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的一致性。

直流伺服電機(jī)工作原理

直流伺服電機(jī)的慣性往往大于鼠籠式交流電機(jī)。這和增加的刷子摩擦阻力是阻礙它們?cè)趦x器伺服系統(tǒng)中使用的主要因素。在小尺寸中，直流伺服電機(jī)主要用于飛機(jī)控制系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，重量和空間限制要求電機(jī)提供每單位體積的最大功率。它們通常用于間歇工作或需要異常高啟動(dòng)扭矩的地方。直流伺服電機(jī)還可用于機(jī)電致動(dòng)器、過(guò)程控制器﹑編程設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床設(shè)備以及許多其他類(lèi)似性質(zhì)的應(yīng)用。

文章簡(jiǎn)單介紹了直流伺服電機(jī)工作原理與特點(diǎn)，瀏覽全文能了解到直流伺服電機(jī)是由四個(gè)主要部件組成的組件，即直流電機(jī)、位置傳感裝置、齒輪組件和控制電路。直流電機(jī)的所需速度取決于所施加的電壓。為了控制電機(jī)速度，電位器產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓被施加到誤差放大器的輸入之一。

直流、交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

一、伺服電機(jī)(servomotor)的由來(lái)和定義

伺服：一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。

伺服系統(tǒng)：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(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

由于它的“伺服”性能，因此它就被命名為伺服電機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)為軸上輸出的角位移和角速度驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

伺服電機(jī)一般分為兩大類(lèi)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。

二、交流伺服電動(dòng)機(jī)

1、交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的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)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

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，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。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?？招谋无D(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。

2、交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)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)。

3、伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：

1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率,這樣不僅使轉(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)行范圍較廣

3、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運(yùn)轉(zhuǎn)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)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性以及合成轉(zhuǎn)矩特性.

交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V;當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

三、直流伺服電機(jī)

1、直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

最早的伺服電動(dòng)機(jī)是一般的直流電動(dòng)機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電動(dòng)機(jī)。目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講,就是小功率的直流電動(dòng)機(jī),其勵(lì)磁多采用電樞控制和磁場(chǎng)控制,但通常采用電樞控制。

2、直流伺服電機(jī)的原理

直流伺服電機(jī)的工作原理與普通的直流電機(jī)工作原理基本相同。依靠電樞氣流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常采用電樞控制方式，在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下，通過(guò)改變電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)速。電壓越小轉(zhuǎn)速越低，電壓為零時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)殡妷簽榱銜r(shí)，電流也為零，所以電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，既不會(huì)出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3、 直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)

輸入或輸出為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它的模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由2個(gè)閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個(gè)反饋閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛地應(yīng)用。通常是由模擬運(yùn)放構(gòu)成PI或PID電路;信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波、放大?？紤]到直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，模擬調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系在模擬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，因電機(jī)的參數(shù)或負(fù)載的機(jī)械特性與理論值有較大差異，往往需要頻繁更換R，C等元件來(lái)改變電路參數(shù)，以獲得預(yù)期的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，這樣做起來(lái)非常麻煩，如果采用可編程模擬器件構(gòu)成調(diào)節(jié)器電路，系統(tǒng)參數(shù)如增益、帶寬甚至電路結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)軟件進(jìn)行修改，調(diào)試起來(lái)就非常方便。