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。