什么是伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是控制伺服系統(tǒng)中機(jī)械元件運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，是輔助電機(jī)的間接變速裝置。

伺服電機(jī)可以精確控制速度和位置，并將電壓信號轉(zhuǎn)換成扭矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)動被控對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子速度由輸入信號控制，并能快速響應(yīng)。在自動控制系統(tǒng)中，它作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、啟動電壓低等特點(diǎn)。它可以將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度并輸出。它分為兩類:DC伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它的主要特點(diǎn)是信號電壓為零時，沒有旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著扭矩的增加而勻速下降。

伺服電機(jī)的工作原理

伺服主要靠脈沖定位?；旧峡梢岳斫鉃樗欧姍C(jī)接收到脈沖時，會旋轉(zhuǎn)一個與脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。

由于伺服電機(jī)本身具有發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度就會發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖，從而與伺服電機(jī)接收到的脈沖形成回波或閉環(huán)。這樣系統(tǒng)就會知道有多少脈沖發(fā)送到伺服電機(jī)，同時又有多少脈沖接收回來，從而可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確定位，可以達(dá)到0.001 mm。

1.交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與電容分相單相異步電機(jī)基本相似。定子配有兩個位置相差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，始終接交流電壓Uf；另一個是與控制信號電壓Uc連接的控制繞組l。所以交流伺服電機(jī)也叫兩個伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電機(jī)具有調(diào)速范圍寬、線性機(jī)械特性、無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)性能，與普通電機(jī)相比，它應(yīng)該具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小兩個特點(diǎn)。目前廣泛使用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種:一種是采用高電阻率導(dǎo)電材料制成的高電阻率導(dǎo)電棒的鼠籠式轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，將轉(zhuǎn)子做成細(xì)長形；另一種是由鋁合金制成的空杯形轉(zhuǎn)子。杯壁很薄，只有0.2-0.3 mm，為了減小磁路的磁阻，需要在空杯狀轉(zhuǎn)子中放置一個固定的內(nèi)定子?？毡无D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定，因此得到廣泛應(yīng)用。交流伺服電機(jī)沒有控制電壓時，只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場在定子中，轉(zhuǎn)子靜止。當(dāng)存在控制電壓時，定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。負(fù)載不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化，當(dāng)控制電壓相位相反時，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。雖然交流伺服電機(jī)的工作原理與分相單相異步電機(jī)相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻遠(yuǎn)大于后者。因此，與單機(jī)異步電機(jī)相比，伺服電機(jī)有三個顯著的特點(diǎn):1。起動轉(zhuǎn)矩因轉(zhuǎn)子電阻大而大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中的曲線1所示，與普通異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2明顯不同?？梢允古R界滑差S0 > 1，不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機(jī)械特性)更加線性，而且具有更大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子有控制電壓時，轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，具有啟動快、靈敏度高的特點(diǎn)。2.操作范圍廣3。伺服電機(jī)運(yùn)行正常無旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，只要失去控制電壓，電機(jī)就會立即停止運(yùn)行。當(dāng)伺服電機(jī)失去控制電壓時，處于單相運(yùn)行狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子電阻大，交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，這是由定子和轉(zhuǎn)子中兩個反向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性(T1-S1、T2-S2曲線)和復(fù)合轉(zhuǎn)矩特性(T-S曲線)造成的。電源頻率為50Hz時，電壓為36V、110V、220 V、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz時，電壓為20V、26V、36V、115V等。交流伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低。但控制特性是非線性的，而且由于轉(zhuǎn)子電阻大、損耗大、效率低，比同等容量的DC伺服電機(jī)更大更重，所以只適用于0.5-100W W的低功率控制系統(tǒng)

二、DC伺服電機(jī)

DC伺服電機(jī)速度控制示意圖

伺服電機(jī)工作原理_電路圖

伺服電機(jī)的工作原理和功能；

伺服電機(jī)的作用是驅(qū)動被控對象。受控對象的扭矩和速度由信號電壓控制。當(dāng)信號電壓的大小和極性改變時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向也會改變。

伺服電機(jī)分類:

交流伺服電機(jī)和DC伺服電機(jī)。

交流伺服電機(jī):

原理同兩相交流異步電動機(jī)。定子配有兩個繞組——勵磁繞組和控制繞組。

伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成長如火如荼，遍地開花。大量機(jī)床制造商、伺服制造商等有資質(zhì)的企業(yè)轉(zhuǎn)向機(jī)器人市場。為什么機(jī)床廠商和伺服廠商這么積極的改造開發(fā)機(jī)器人？工業(yè)機(jī)器人有本體、伺服、減速器和控制器四大部件。

機(jī)器人關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，要求最大功率質(zhì)量比、扭矩慣性比、高起動扭矩、低慣性、寬平穩(wěn)速度范圍。

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有必要在伺服和集成控制方面取得突破。目前我國在伺服等領(lǐng)域還處于突破階段，對當(dāng)?shù)貦C(jī)器人行業(yè)產(chǎn)生了負(fù)面影響。

工業(yè)機(jī)器人電動伺服系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是三閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般對于交流伺服驅(qū)動器，通過手動設(shè)置其內(nèi)部功能參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、扭矩控制等多種功能。

隨著工業(yè)自動化的不斷推進(jìn)，對自動化軟硬件設(shè)備的需求仍然很高，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場一直在穩(wěn)步增長。預(yù)計(jì)2015年中國將成為全球最大的需求市場。

同時直接帶動了伺服系統(tǒng)的市場需求。美萊克提供的智明步進(jìn)伺服電機(jī)系統(tǒng)將伺服控制技術(shù)完美地融入到集成電機(jī)中，具有精度高、穩(wěn)定性好、速度快的特點(diǎn)。

目前，工業(yè)機(jī)器人廣泛采用高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣性的交流和DC伺服電機(jī)。其他電機(jī)，如交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，也會根據(jù)不同的應(yīng)用需求應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人上。

特別是機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積和質(zhì)量盡可能小的電機(jī)，特別是要求快速響應(yīng)時，伺服電機(jī)必須具有高可靠性和大的短時過載能力。具體使用要求:

牢度。

起動轉(zhuǎn)矩慣性比大。

控制特性的連續(xù)性和線性，隨著控制信號的變化，電機(jī)的速度可以連續(xù)變化，有時速度需要與控制信號成比例或近似成比例。

調(diào)速范圍寬。

體積小，質(zhì)量小，軸向尺寸短。

它能承受惡劣的工作條件，能進(jìn)行非常頻繁的前進(jìn)后退和加減速操作，能在短時間內(nèi)承受過載。

伺服電機(jī)行業(yè)的未來趨勢

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換后，內(nèi)部數(shù)字控制回路無處不在，如換相、電流、速度、位置控制等。不足為奇的是，它主要是通過新的功率半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)的，比如高性能的DSP加FPGA，甚至還有專門的伺服模塊。而且每2 ~ 2.5年就會有新的動力裝置或模塊更新，新的軟件算法也會日新月異。國際廠商的伺服產(chǎn)品會每5年更新一次——總之產(chǎn)品生命周期越來越短，變化越來越快?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠商的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看出伺服電機(jī)系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢如下:

高效率

雖然高效率一直是伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展課題，但仍需加強(qiáng)。主要包括電機(jī)本身的高效率，比如永磁材料性能的提高，磁體安裝結(jié)構(gòu)的更好設(shè)計(jì)；它還包括驅(qū)動系統(tǒng)的高效率，包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化、加速和減速、再生制動和能量反饋，以及更好的冷卻方法。

直接驅(qū)動

直接驅(qū)動包括轉(zhuǎn)盤伺服驅(qū)動和直線伺服驅(qū)動。由于消除了中間機(jī)械傳動設(shè)備(如變速箱)的傳動誤差，實(shí)現(xiàn)了高速、高定位精度。但是直線電機(jī)容易改變形狀，可以使各種帶有直線機(jī)構(gòu)的裝置實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。

高速、高精度、高性能

通過采用更高精度的編碼器、采樣精度和數(shù)據(jù)位更高、速度更快的DSP、無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)，應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等多種現(xiàn)代控制策略，伺服系統(tǒng)的基本指標(biāo)(控制速度、控制精度)不斷提高。

整合整合

電機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動和通信的垂直一體化已成為當(dāng)前低功耗伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。有時我們把這種集成了驅(qū)動和通信的電機(jī)稱為智能電機(jī)，有時我們把集成了運(yùn)動控制和通信的驅(qū)動器稱為智能伺服驅(qū)動器。電機(jī)、驅(qū)動和控制的集成使它們從設(shè)計(jì)和制造到操作和維護(hù)更加緊密地集成在一起。但是這種方法面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)和工程師的使用習(xí)慣，很難成為主流，在整個伺服市場上是一個小而有特色的部分。

一般化

萬能驅(qū)動器配有大量參數(shù)和豐富的菜單功能，方便用戶設(shè)置V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電機(jī)控制和再生單元五種工作模式，無需改變硬件配置。它適用于各種場合，可以驅(qū)動不同類型的電機(jī)，如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷DC電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也可以適應(yīng)不同類型的傳感器，甚至不適應(yīng)。電機(jī)本身的反饋可以形成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部位置或速度或扭矩傳感器形成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

智力

現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器具有參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能。進(jìn)口驅(qū)動大多具有負(fù)載慣量測量和自動增益調(diào)節(jié)功能，有的可以自動識別電機(jī)參數(shù)，自動確定編碼器零位，有的可以自動抑制振動。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動等控制功能與驅(qū)動相結(jié)合，為伺服用戶提供了更好的體驗(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)化和模塊化

將現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成到伺服驅(qū)動器中，已經(jīng)成為歐美制造商的普遍做法。如何適應(yīng)高性能運(yùn)動控制對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性和同步性的要求，是現(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向，也是各種總線標(biāo)準(zhǔn)競爭的焦點(diǎn)。隨著我國對大型分布式控制設(shè)備需求的不斷增加和高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的發(fā)展已成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。模塊化不僅是指伺服驅(qū)動模塊、電源模塊、再生制動模塊和通信模塊的組合，也是指伺服驅(qū)動內(nèi)部軟硬件的模塊化和可重用性。

從故障診斷到預(yù)測性維護(hù)

隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)落后。最新產(chǎn)品內(nèi)嵌預(yù)測維修技術(shù)，讓人們通過互聯(lián)網(wǎng)及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取防范措施。例如，注意電流的上升，評估負(fù)載變化時的峰值電流，當(dāng)外殼或內(nèi)核溫度上升時監(jiān)控溫度傳感器，并對電流波形的任何失真保持警惕。

專業(yè)化和多樣化

雖然市場上有通用的伺服產(chǎn)品，但專門為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的伺服系統(tǒng)比比皆是。隨著不同磁性材料、不同形狀、不同表面鍵合結(jié)構(gòu)和嵌入式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)的出現(xiàn)，日本采用分芯結(jié)構(gòu)技術(shù)使永磁無刷伺服電機(jī)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高效率、大批量生產(chǎn)和自動化，吸引了國內(nèi)制造商的研究

小型化和大型化

永磁無刷伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都在積極向更小的尺寸發(fā)展，如20、28和35mm外徑；與此同時，更多的功率和尺寸模型正在開發(fā)，500千瓦永磁伺服電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)。體現(xiàn)了兩極分化的傾向。

測試方法也在改進(jìn)

與傳統(tǒng)的電機(jī)測試不同，伺服電機(jī)的性能主要體現(xiàn)在控制速度和控制精度上，這就導(dǎo)致了一個問題:傳統(tǒng)的電機(jī)測試方法只針對電機(jī)，不能分析伺服系統(tǒng)的控制特性。

針對這種情況，MPT混合動力電機(jī)測試系統(tǒng)可以通過自由加載引擎技術(shù)對被測電機(jī)進(jìn)行連續(xù)動態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)被測電機(jī)在真實(shí)環(huán)境中的工況模擬，從而對相應(yīng)的電機(jī)和控制進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)控制、實(shí)際工況模擬、老化等各種測試，使電機(jī)測試進(jìn)入動態(tài)時代，滿足當(dāng)前伺服運(yùn)動系統(tǒng)行業(yè)對運(yùn)動控制相關(guān)項(xiàng)目的測試要求。

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