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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(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)控制信號消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能即時(shí)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。伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，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。



伺服電機(jī)的分類



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(gè)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)的優(yōu)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)。



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(shí)間響應(yīng)。




交流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個(gè)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mg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，max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)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器將反饋信號傳給驅(qū)動器，對反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度，伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。





Q
交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在性能上有什么區(qū)別?
A

交流伺服電機(jī)的性能要好一些，因?yàn)榻涣魉欧钦也刂疲D(zhuǎn)矩脈動小;而無刷直流伺服是梯形波控制。但無刷直流伺服實(shí)現(xiàn)控制比較簡單，便宜。

永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)的迅猛發(fā)展使直流伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機(jī)[/p][p=30，2，left]20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼不斷推出新的交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使直流伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機(jī)。

永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：

⑴無電刷和換向器，運(yùn)行更可靠，免維護(hù)。

⑵定子繞組發(fā)熱大大減少。

⑶慣量小，系統(tǒng)快速響應(yīng)性好。

⑷高速大力矩工作狀態(tài)好。

⑸相同功率下體積小重量輕。



伺服電機(jī)原理



交流伺服電動機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機(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)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動機(jī)。



交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個(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)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁僅0.2-0.3mm，空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。



交流伺服電動機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。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，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機(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)，伺服電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。



交流伺服電動機(jī)的工作原理與電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機(jī)與電容運(yùn)轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)相比，有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：



1. 起動轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，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轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點(diǎn)。



2. 運(yùn)行范圍寬：運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。[/p][p=30，2，left]3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：運(yùn)轉(zhuǎn)中的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。



精密傳動微特電機(jī)



“精密傳動微特電機(jī)”能夠在系統(tǒng)中快速而正確地執(zhí)行頻繁變化的指令，帶動伺服機(jī)構(gòu)完成指令所期望的工作，大多能夠滿足以下要求：



1. 能頻繁啟動、停止、制動、反轉(zhuǎn)及低速運(yùn)行，且機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱等級高、絕緣等級高。



2. 快速相應(yīng)能力好，轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)動慣量小，時(shí)間常數(shù)小。



3. 帶有驅(qū)動器和控制器(如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))，控制性能良好。



4. 高可靠性，高精度。



精密傳動微特電機(jī)的類別及其結(jié)構(gòu)和性能對比如下：




交流伺服電機(jī)


(1)籠型兩相交流伺服電機(jī)(細(xì)長籠型轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、體積和勵磁電流小、小功率伺服、低速運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平滑)。



(2)非磁性杯型轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電機(jī)(空心杯轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、體積和勵磁電流較大、小功率伺服、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平滑)。



(3)鐵磁杯型轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電機(jī)(鐵磁材料杯型轉(zhuǎn)子、機(jī)械特性近似線性、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大、齒槽效應(yīng)小、運(yùn)行平穩(wěn))。



(4)同步型永磁交流伺服電機(jī)(由永磁同步電機(jī)、測速機(jī)及位置檢測元件同軸一體機(jī)組，定子為3相或2相，磁性材料轉(zhuǎn)子，必須配驅(qū)動器;調(diào)速范圍寬、機(jī)械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)組成，可連續(xù)堵轉(zhuǎn)，快速相應(yīng)性能好，輸出功率大，轉(zhuǎn)矩波動小;有方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動兩種方式，控制性能好，為機(jī)電一體化產(chǎn)品)。



(5)異步型三相交流伺服電機(jī)(轉(zhuǎn)子與籠型異步電機(jī)相似，必須配驅(qū)動器，采用矢量控制，擴(kuò)大了恒功率調(diào)速范圍，多用于機(jī)床主軸調(diào)速系統(tǒng))。




直流伺服電機(jī)


(1)印制繞組直流伺服電機(jī)(盤形轉(zhuǎn)子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，無齒槽效應(yīng)，無飽和效應(yīng)，輸出轉(zhuǎn)矩大)。



(2)線繞盤式直流伺服電機(jī)(盤形轉(zhuǎn)子、定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，控制性能優(yōu)于其他直流伺服電機(jī)，效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大)。



(3)杯型電樞永磁直流電機(jī)(空心杯轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，適用于增量運(yùn)動伺服系統(tǒng))。



(4)無刷直流伺服電機(jī)(定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁式，帶轉(zhuǎn)子位置傳感器，無火花干擾，壽命長，噪聲低)。




力矩電機(jī)


(1)直流力矩電機(jī)(扁平結(jié)構(gòu)，極數(shù)槽數(shù)換向片數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多;輸出轉(zhuǎn)矩大，低速或堵轉(zhuǎn)下可連續(xù)工作，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小)。

(2)無刷直流力矩電機(jī)(與無刷直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，但為扁平狀，極數(shù)槽數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多;輸出轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，壽命長，無火花，噪聲低)。

(3)籠型交流力矩電機(jī)(籠型轉(zhuǎn)子，扁平結(jié)構(gòu)，極數(shù)槽數(shù)多，啟動轉(zhuǎn)矩大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，可長期堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，機(jī)械特性較軟)。

(4)實(shí)心轉(zhuǎn)子交流力矩電機(jī)(鐵磁材料實(shí)心轉(zhuǎn)子，扁平結(jié)構(gòu)，極數(shù)槽數(shù)多，可長期堵轉(zhuǎn)，運(yùn)行平滑，機(jī)械特性較軟)。




步進(jìn)電機(jī)


(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊成，轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組，定子上有控制繞組;步距角小，啟動與運(yùn)行頻率較高，步距角精度較低，無自鎖力矩)。



(2)永磁步進(jìn)電機(jī)(永磁式轉(zhuǎn)子，徑向磁化極性;步距角大，啟動與運(yùn)行頻率低，有保持轉(zhuǎn)矩，消耗功率比反應(yīng)式小，但須供正、負(fù)脈沖電流)。



(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(永磁式轉(zhuǎn)子，軸向磁化極性;步距角精度高，有保持轉(zhuǎn)矩，輸入電流小，兼有反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn))。



開關(guān)磁阻電機(jī)(定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊成，都為凸極式，與極數(shù)相接近的大步距反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器，轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，調(diào)速范圍小，噪聲大，機(jī)械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、串勵特性區(qū)三部分組成)。

直線電機(jī)(結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)軌等可作為二次導(dǎo)體，適用于直線往復(fù)運(yùn)動;高速伺服性能好，功率因數(shù)和效率高，恒速運(yùn)行性能優(yōu))。

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