伺服電機(jī)的工作原理

下圖所示是一種采用功率運(yùn)算放大器LM675制成的伺服電動(dòng)機(jī)控制電路，電動(dòng)機(jī)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。從圖可見，功率運(yùn)算放大器LM675由15V供電，15V電壓經(jīng)RP1加到運(yùn)算放大器LM675的同相輸入端，LM675的輸出電壓加到伺服電動(dòng)機(jī)的輸入端。電動(dòng)機(jī)上裝有測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際上測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器是一種發(fā)電機(jī)，它輸出的電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器G輸出的電壓經(jīng)分壓電路后作為速度誤差信號(hào)反饋到運(yùn)算放大器的反相輸入端。速度指令電位器RP1設(shè)定的電壓值經(jīng)R1.R2分壓后加到運(yùn)算放大器的同相輸入端，相當(dāng)于基準(zhǔn)電壓。

伺服電動(dòng)機(jī)的控制原理圖

伺服電動(dòng)機(jī)用字母M表示伺服電動(dòng)機(jī)，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力之源。運(yùn)算放大器：用電路名稱表示，即LM675，是伺服控制電路中的放大器件，為伺服電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流。

速度指令電位器RP1：在電路中設(shè)定運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓，即速度設(shè)定。放大器增益調(diào)整電位器RP2：在電路中分別用于微調(diào)放大器的增益和速度反饋信號(hào)的大小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載發(fā)生變動(dòng)時(shí)，反饋到運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓也會(huì)發(fā)生變化，即電

動(dòng)機(jī)負(fù)載加重時(shí)，速度會(huì)降低，測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器的輸出電壓也會(huì)降低，使運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓降低，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差增加，運(yùn)算放大器的輸出電壓增加。反之，當(dāng)負(fù)載變小、電動(dòng)機(jī)速度增加時(shí)，測(cè)速信號(hào)產(chǎn)生器的輸出電壓上升，加到運(yùn)算放大器反相輸入端的反饋電壓增加，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差減小，運(yùn)算放大器的輸出電壓下降，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的速度隨之下降，從而使轉(zhuǎn)速能自動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定值。

伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；

2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；

3、適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；

5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；

6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。

伺服電機(jī)的選型步驟

每種型號(hào)伺服電機(jī)的規(guī)格項(xiàng)內(nèi)均有額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩及伺服電機(jī)慣量等參數(shù)各參數(shù)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣量間必定有相關(guān)聯(lián)系存在，選用伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件要求，如加速度的快慢、機(jī)構(gòu)的重量；機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式（水平、垂直旋轉(zhuǎn)）等；運(yùn)動(dòng)條件與伺服電機(jī)輸出功率無直接關(guān)系，但是一般伺服電機(jī)輸出功率越高，相對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)越高。

因此不但機(jī)構(gòu)重量會(huì)影響伺服電機(jī)的選用，運(yùn)動(dòng)條件也會(huì)改變伺服電機(jī)的選用。慣量越大時(shí)，需要越大的加速及減速轉(zhuǎn)矩，加速及減速時(shí)間越短時(shí)，也需要越大的伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。選用伺服電機(jī)規(guī)格時(shí)，依下列步驟進(jìn)行。

（1）明確負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件要求，即加/減速的快慢、運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)構(gòu)的重量、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式等。

（2）依據(jù)運(yùn)行條件要求選用合適的負(fù)載慣量計(jì)算公式計(jì)算出機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量。

（3）依據(jù)負(fù)載慣量與伺服電機(jī)慣量選出適當(dāng)?shù)募龠x定伺服電機(jī)規(guī)格。

（4）結(jié)合初選的伺服電機(jī)慣量與負(fù)載慣量，計(jì)算出加速轉(zhuǎn)矩及減速轉(zhuǎn)矩。

（5）依據(jù)負(fù)載重量、配置方式、摩擦系數(shù)、運(yùn)行效效率計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

（6）初選伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩＋負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如不符合條件，必須選用其他型號(hào)計(jì)算驗(yàn)證直至符符合要求。

（7）依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩及保持轉(zhuǎn)矩計(jì)算出連續(xù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。

（8）初選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于連續(xù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，如，如果不符合條件，必須選用其他型號(hào)計(jì)算驗(yàn)證直至符合要求。

（9）完成選定。

最簡(jiǎn)單伺服電機(jī)選型計(jì)算方式

伺服電機(jī)選擇的時(shí)候，首先一個(gè)要考慮的就是功率的選擇。一般應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1、如果電機(jī)功率選得過小。就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機(jī)長(zhǎng)期過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機(jī)被燒毀。

2、如果電機(jī)功率選得過大。就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車“現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利。而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。

也就是說，電機(jī)功率既不能太大，也不能太小，要正確選擇電機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較：

P=：F*V/100

（其中P是計(jì)算功率，單位是KW，F(xiàn)是所需拉力，單位是N，V是工作機(jī)線速度m/s）

此外。最常用的是采用類比法來選擇電機(jī)的功率。所謂類比法，就是與類似生產(chǎn)機(jī)械所用電機(jī)的功率進(jìn)行對(duì)比。

具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產(chǎn)機(jī)械使用多大功率的電機(jī)，然后選用相近功率的電機(jī)進(jìn)行試車。試車的目的是驗(yàn)證所選電機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械是否匹配。

驗(yàn)證的方法是：使電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)的工作電流，將測(cè)得的電流與該電機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對(duì)比。

如果電功機(jī)的實(shí)際工作電流與銘脾上標(biāo)出的額定電流上下相差不大，則表明所選電機(jī)的功率合適。

如果電機(jī)的實(shí)際工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流低70%左右。則表明電機(jī)的功率選得過大，應(yīng)調(diào)換功率較小的電機(jī)。

如果測(cè)得的電機(jī)工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流大40%以上。則表明電機(jī)的功率選得過小，應(yīng)調(diào)換功率較大的電機(jī)。

實(shí)際上應(yīng)該是考慮扭矩（轉(zhuǎn)矩），電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式。

即T=9550P/n

式中：

P一功率，kW;n一電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min;T一轉(zhuǎn)矩，Nm。

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一定要大于工作機(jī)械所需要的轉(zhuǎn)矩，一般需要一個(gè)安全系數(shù)。

機(jī)械功率公式：P=T*N/97500

P：功率單位W;T：轉(zhuǎn)矩，單位克/cm;N：轉(zhuǎn)速，單位r/min。

伺服電機(jī)選型的注意事項(xiàng)

1、有些系統(tǒng)如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機(jī)能盡快停車，而在故障、急停、電源斷電時(shí)伺服器沒有再生制動(dòng)，無法對(duì)電機(jī)減速。同時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械慣量又較大，這時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)制動(dòng)器的要依據(jù)負(fù)載的輕重、電機(jī)的工作速度等進(jìn)行選擇。

2、有些系統(tǒng)要維持機(jī)械裝置的靜止位置，需電機(jī)提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩，且停止的時(shí)間較長(zhǎng)。如果使用伺服的自鎖功能，往往會(huì)造成電機(jī)過熱或放大器過載，這種情況就要選擇帶電磁制動(dòng)的電機(jī)。

3、有的伺服驅(qū)動(dòng)器有內(nèi)置的再生制動(dòng)單元，但當(dāng)再生制動(dòng)較頻繁時(shí)，可能引起直流母線電壓過高，這時(shí)需另配再生制動(dòng)電阻。再生制動(dòng)電阻是否需要另配，配多大，可參照相應(yīng)樣本的使用說明來配。

4、如果選擇了帶電磁制動(dòng)器的伺服電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)增大，計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)要進(jìn)行考慮。