如何讓伺服電機乖乖工作

“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機：在控制信號發出之前，轉子靜止不動；當控制信號發出時，轉子立即轉動；當控制信號消失時，轉子能即時停轉。伺服電機是自動控制裝置中被用作執行元件的微特電機，其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。

? 工作原理

伺服系統（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移。因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。

直流和交流伺服電機

伺服電動機又叫執行電動機，或叫控制電動機。在自動控制系統中，伺服電動機是一個執行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變為電機的一定轉速或角位移。伺服電動機有直流和交流之分。

一、交流伺服電動機

交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似，如圖1所示。其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

交流伺服電動機的轉子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調速范圍、線性的機械特性，無“自轉”現象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子，如圖2所示。空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛采用。

圖1 交流伺服電動機原理圖

圖2 空心杯形轉子伺服電動機結構

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉。

交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：

1、起動轉矩大

由于轉子電阻大，其轉矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機的轉矩特性曲線2相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0＞1，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。

圖3?伺服電動機的轉矩特性

2、運行范圍較寬

如圖3所示，較差率S在0到1的范圍內伺服電動機都能穩定運轉。

3、無自轉現象

正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態，由于轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉矩特性（T－S曲線）如圖4所示，與普通的單相異步電動機的轉矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時的合成轉矩T是制動轉矩，從而使電動機迅速停止運轉。

圖4?伺服電動機單相運行時的轉矩特性

圖5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc愈高，轉速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉速下降。

圖5 伺服電動機的機械特性

交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、重量重。

交流伺服電機的定子裝有三相對稱的繞組，而轉子是永久磁極。當定子的繞組中通過三相電源后，定子與轉子之間必然產生一個旋轉場。這個旋轉磁場的轉速稱為同步轉速。電機的轉速也就是磁場的轉速。由于轉子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉運行。所以它比異步電機的調速范圍更寬。而與直流伺服電機相比，它沒有機械換向器，特別是它沒有了碳刷，完全排除了換向時產生火花對機械造成的磨損，另外交流伺服電機自帶一個編碼器。可以隨時將電機運行的情況“報告”給驅動器，驅動器又根據得到的“報告”更精確的控制電機的運行。由此可見交流伺服電機優點確實很多。可是技術含量也高了，價格也高了。最重要是對交流伺服電機的調試技術提高了。也就是電機雖好，如果調試不好一樣是問題多多。伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

永磁交流伺服電動機

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優點有：

⑴?電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。

⑵?子繞組散熱比較方便。

⑶?慣量小，易于提高系統的快速性。

⑷?適應于高速大力矩工作狀態。

⑸?同功率下有較小的體積和重量。

二、直流伺服電動機

直流伺服電動機的結構和一般直流電動機一樣，只是為了減小轉動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。也有永磁式的，即磁極是永久磁鐵。通常采用電樞控制，就是勵磁電壓f一定，建立的磁通量Φ也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖6所示。