什么是伺服電機(jī)？伺服電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理

　　伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　什么是伺服電機(jī)？

　　伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號(hào)的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或控制電壓。

　　伺服電動(dòng)機(jī)的種類多，用途廣。例如在雷達(dá)天線系統(tǒng)中，雷達(dá)天線是由交流伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的， 當(dāng)天線發(fā)出去的無線電波遇到目標(biāo)時(shí)，就會(huì)被反射回來送給雷達(dá)接收機(jī)；雷達(dá)接收機(jī)將目標(biāo)的方位和距離確定后，向交流伺服電動(dòng)機(jī)送出電信號(hào)，交流伺服電動(dòng)機(jī)按照該電信號(hào)拖動(dòng)雷達(dá)天線跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　根據(jù)使用電源的不同，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達(dá)上千瓦；而交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。

　　伺服電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機(jī)的工作原理

　　1、伺服系統(tǒng)（servomechanism）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)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。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(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)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，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。

　　2、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(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。

　　3、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。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。

　　伺服可作為交流或直流電動(dòng)機(jī)。早期一般伺服直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橹挥蓄愋偷目刂拼箅娏魇峭ㄟ^序列多年。隨著晶體管成為能夠控制大電流和開關(guān)的大電流在更高的頻率，交流伺服電機(jī)成為更經(jīng)常地使用。早期伺服是專為伺服放大器。今天，一類是電機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，籌措，可能使用伺服放大器或變頻控制器，這意味著電動(dòng)機(jī)可用于伺服系統(tǒng)在一個(gè)應(yīng)用程序，并使用變頻驅(qū)動(dòng)器在另一應(yīng)用程序。有些公司還要求任何閉環(huán)系統(tǒng)，不使用步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)，所以它是可能的一個(gè)簡(jiǎn)單的交流感應(yīng)電機(jī)是連接到一個(gè)速度控制器，被稱為伺服電機(jī)。

　　有些變化，必須作出任何運(yùn)動(dòng)，目的是作為伺服在cludes的能力，運(yùn)作了一系列的速度沒有過熱，運(yùn)作的能力在零速度和保持足夠的轉(zhuǎn)矩舉行負(fù)荷的立場(chǎng)，運(yùn)作能力在非常低的速度很長(zhǎng)時(shí)間沒有過熱。老年型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇已是直接連接到電機(jī)軸。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度緩慢，風(fēng)扇不會(huì)移動(dòng)足夠的空氣冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)。較新的發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)單獨(dú)的風(fēng)機(jī)安裝，以便將提供最佳的冷卻空氣。這扇是由常數(shù)電壓源，以便它反過來將在最大轉(zhuǎn)速在任何時(shí)候都不管的速度伺服。其中最實(shí)用類型的電機(jī)伺服系統(tǒng)是永久磁鐵（下午）型發(fā)動(dòng)機(jī)。電壓為外地繞組永磁型電機(jī)可以交流電壓或直流電壓。永磁型電機(jī)類似于其他類型電機(jī)下午以前提出。圖11-83顯示了剖圖片的永磁電機(jī)和圖。 11-84顯示了剖圖的永磁電機(jī)。從圖片和圖表可以看到住房，轉(zhuǎn)子和定子都期待非常相似，前型永磁電動(dòng)機(jī)。主要的差異這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，它可能減少齒輪能夠?qū)⒏蟮呢?fù)荷迅速?gòu)囊粋€(gè)站著不動(dòng)的位置。這種類型的永磁電機(jī)也有一個(gè)編碼器或解析器內(nèi)置馬達(dá)的住房。這確保了設(shè)備將準(zhǔn)確地表明了立場(chǎng)或速度的電機(jī)軸。

　　無刷伺服無刷伺服電機(jī)的目的是開展活動(dòng)，刷子。這意味著，減刑的刷子提供現(xiàn)在必須以電子方式提供。電子減刑是由開關(guān)晶體管和關(guān)閉在適當(dāng)時(shí)候。圖11-85表明三個(gè)例子的電壓和電流波形發(fā)送到無刷伺服電機(jī)。圖11-86顯示一個(gè)例子，這三個(gè)繞組的無刷伺服電機(jī)。主要的一點(diǎn)無刷servomo因子是，它可以采用任何交流電壓或直流電壓。

　　圖11-85顯示三種類型的電壓波形，可用于功率無刷伺服電機(jī)。圖11 - 85a顯示了梯形電動(dòng)勢(shì)（電壓）輸入和方波電流輸入。圖11 - 85b顯示波形的正弦輸入電壓和方波電流波形。圖11 - 85C號(hào)顯示了正弦輸入波形和正弦電流波形。正弦輸入和正弦電流波形是最受歡迎的電壓用品的無刷伺服電機(jī)。

　　圖11-86表明三套晶體管類似的晶體管輸出級(jí)的變頻驅(qū)動(dòng)器。在圖。11-86a晶體管相連的三個(gè)繞組電機(jī)以同樣的方式在變頻驅(qū)動(dòng)器。在圖。一升-86b圖的波形的輸出晶體管表現(xiàn)為三個(gè)不同的正弦波。波形的控制電路為基礎(chǔ)，每一個(gè)transis器中顯示圖。11-86c。圖11-86d表明了反電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)波形。

　　圖11-85 （a）陷阱e(cuò)zoidal輸入電壓和方波電流波的形式。（b）正弦輸入電壓和正弦電壓和方波輸出電壓波的形式。（c）正弦輸入電壓和sinusoi達(dá)電流波形。這已成為最流行的類型的無刷伺服控制。

　　伺服控制器

　　伺服控制器已成為不僅僅是放大器的伺服電機(jī)。今天，伺服控制器必須能夠作出了一系列決定，并提供一種手段，接收信號(hào)來自外部傳感器和控制系統(tǒng)中，并發(fā)出信號(hào)，主機(jī)控制器和PLC的接口，可能與伺服系統(tǒng)。圖11-87顯示了圖片的幾個(gè)伺服電機(jī)和放大器。各組成部分在這個(gè)圖片看起來類似的各種其他類型的電機(jī)和控制器。

　　圖11-88顯示了圖伺服控制器，以便您可以看到一些分歧與其他類型的電機(jī)控制器。該控制器在此圖是直流伺服電機(jī)。該控制器有三個(gè)港口，使信號(hào)或發(fā)送信號(hào)的控制器。電源供應(yīng)器，伺服電機(jī)，和轉(zhuǎn)速表連接到端口P3底部的控制器。你可以看到，電源電壓為115伏單相交流。一個(gè)主要的斷開連接的一系列與李線。在李和N線路供電的隔離降壓變壓器。二次電壓跨前可以是任何電壓的20和85伏特。該控制器接地端8 。你應(yīng)該記住，地面在這一點(diǎn)上是用來提供短路保護(hù)所有金屬部件的系統(tǒng)。

　　該伺服電機(jī)連接到終端控制器在第4和第5 。終端5 +和終端4 -。 3號(hào)候機(jī)樓提供了地面的屏蔽的連接線，電機(jī)和控制器。在轉(zhuǎn)速表連接到終端1和2 。 2號(hào)候機(jī)樓是+和終點(diǎn)站1 -。在此盾構(gòu)電纜接地電動(dòng)機(jī)案件。電線連接到這個(gè)港口將大于導(dǎo)線連接到其他港口，因?yàn)樗鼈儽仨毮軌驍y帶更大的電機(jī)電流。如果電動(dòng)機(jī)采用了外置散熱風(fēng)扇，這將是連接通過這個(gè)港口。在大多數(shù)情況下，冷卻風(fēng)扇將采用單相或三相交流電壓保持在恒定的水平，如110伏或240伏。

　　圖11-86 （a）sistors連接到三個(gè)繞組的無刷伺服電機(jī)。（b）波形的三個(gè)獨(dú)立的電壓，用于功率電機(jī)的三個(gè)風(fēng)消息。（c）波形的信號(hào)用來控制晶體管序列，提供了波形圖前，（d）波形的整體反電勢(shì)。

　　圖11-88圖的伺服控制器。此圖顯示的數(shù)字（開關(guān)）信號(hào)和模擬信號(hào)發(fā)送到控制器，以及信號(hào)控制器傳送回主機(jī)控制器或PLC 。

　　該命令的信號(hào)被送到控制器通過港口。該終端的指揮信號(hào)的1和2 。 1號(hào)候機(jī)樓是+和終端2 -。這種信號(hào)是一種信號(hào)，這意味著它不是停飛或不同意的理由可能同任何其他部分的電路。一些額外的輔助信號(hào)也通過端口連接1 。這些信號(hào)包括抑制（異煙肼） ，這是用來停用駕駛從外部控制器，并正向和反向的命令（剛果和吸波涂層） ，其中向控制器發(fā)出電壓電機(jī)，使之將在旋轉(zhuǎn)向前或扭轉(zhuǎn)方向化。在某些應(yīng)用中，最大的旅行著限位開關(guān)和反向最大的旅行限位開關(guān)連接，如果旅行的機(jī)器動(dòng)作的極端位置，以便它觸及了overtravel限位開關(guān)，它會(huì)自動(dòng)激發(fā)干勁，開始旅行相反的方向發(fā)展。

　　港口還提供了幾個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，可以用來發(fā)送故障信號(hào)或其他信息，如“驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行”回到主控制器或PLC。港口基本上是界面的全數(shù)字化（開關(guān)）信號(hào)。

　　港口的P2是界面的模擬（ 0 -最大值）的信號(hào)。典型的信號(hào)，這車包括電機(jī)電流和電機(jī)速度信號(hào)，傳送至伺服控制器到主機(jī)或公司，在這里他們可以用來驗(yàn)證邏輯，以確?？刂破靼l(fā)出正確的信息的馬達(dá)。輸入信號(hào)從主機(jī)或PLC還可以被發(fā)送到控制器設(shè)置最大電流和速度的驅(qū)動(dòng)器。在新的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，這些值控制的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，編程到驅(qū)動(dòng)器。