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伺服電機是自動控制裝置中用作執(zhí)行機構(gòu)的微型電機，其功能是將電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電機又稱執(zhí)行電機，是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成角位移或角速度輸出在電機軸上?！八欧姍C”可以理解為絕對服從控制信號指令的電機:在控制信號發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子還在；當控制信號發(fā)出時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當控制信號消失時，轉(zhuǎn)子可以立即停止。
伺服電機的分類
伺服電機分為交流伺服和DC伺服。
交流伺服電機的基本結(jié)構(gòu)類似于交流感應電機(異步電機)。在定子上，有兩個相空間偏移90度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，它們以恒定的交流電壓連接。通過使用施加在Wc上的交流電壓或相位變化，可以控制電機。伺服電機交流具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應快、靈敏度高的特點，機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性指標嚴格(分別小于10% ~ 15%和小于15% ~ 25%)。
DC 伺服電機的優(yōu)缺點
優(yōu)點:速度控制準確，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性硬，控制原理簡單，使用方便，價格低廉。
缺點:電刷換向、限速、附加電阻、磨損顆粒(不適合無塵易爆環(huán)境)。
伺服電機 DC電機的基本結(jié)構(gòu)與普通DC電機相似。電機轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，其中E為電樞反電動勢，K為常數(shù)，J為每極磁通量，Ua和Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻。改變Ua或φ可以控制DC伺服電機的速度。然而，在永磁DC伺服電機中，勵磁繞組被永磁體取代。DC伺服電機具有良好的線性調(diào)節(jié)特性和快速的時間響應。
AC 伺服電機的優(yōu)缺點
優(yōu)點:調(diào)速特性好，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制平穩(wěn)，幾乎無振蕩，90%以上效率高，發(fā)熱少，高速控制，高精度位置控制(取決于編碼器精度)，恒轉(zhuǎn)矩，低慣性，低噪音，額定工作范圍內(nèi)無電刷磨損，免維護(適用于無塵、易爆環(huán)境)。
缺點:控制復雜，需要現(xiàn)場調(diào)整驅(qū)動參數(shù)來確定PID參數(shù)，需要更多的連接。
DC 伺服電機可分為有刷電機和無刷電機。
無刷電機具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、易于控制和維護等優(yōu)點，但容易維護(更換碳刷)，產(chǎn)生電磁干擾，需要使用環(huán)境。通常用于成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
無刷電機具有體積小、重量輕、輸出大、響應快、轉(zhuǎn)速高、慣性小、轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)平穩(wěn)、控制復雜智能、電子換向方式靈活、方波或正弦波換向、電機免維護、高效節(jié)能、電磁輻射低、溫升低、壽命長等優(yōu)點，適用于各種環(huán)境。
伺服電機交流也是無刷電機，分為同步電機和異步電機。目前運動控制一般采用同步電機，功率范圍大，功率大，慣性大，最大轉(zhuǎn)速低，且隨著功率的增加恒速下降，適用于低速穩(wěn)定運行的場合。
伺服電機里面的轉(zhuǎn)子是永磁體，驅(qū)動器控制U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在這個磁場的作用下旋轉(zhuǎn)。同時，電機提供的編碼器將反饋信號傳輸給驅(qū)動器，并將反饋值與目標值進行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。伺服電機的精度取決于編碼器的精度(行數(shù))。
隨著永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，DC伺服系統(tǒng)面臨著被淘汰的危機[/p] [p = 30，2，左]自20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)取得了突出的發(fā)展，各國著名電氣制造商相繼推出了新的交流伺服電機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品。交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，這使得DC伺服系統(tǒng)面臨被淘汰的危機。
與DC伺服電機相比，交流伺服電機具有以下主要優(yōu)點:
(1)無電刷和換向器，運行更可靠，免維護。
??The定子繞組發(fā)熱大大減少。
⑶慣性小，系統(tǒng)快速響應性好。
⑶高速高扭矩工況良好。
5.同等功率下體積小重量輕。
伺服電機原則
交流伺服電機的定子結(jié)構(gòu)與電容分相單相異步電機基本相似。定子配有兩個位置相差90度的繞組。一個是激勵繞組Rf，它總是連接到交流電壓Uf。另一個是控制繞組L，與控制信號電壓Uc相連。所以交流伺服電機也叫雙伺服電機。
交流伺服電機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電機具有更寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性、無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應性能，與普通電機相比應具有轉(zhuǎn)子電阻大、轉(zhuǎn)動慣量小兩個特點。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電材料制成的高電阻率導電棒的鼠籠式轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，將轉(zhuǎn)子做成細長形；另一種是鋁合金制成的空心杯狀轉(zhuǎn)子，杯壁只有0.2-0.3毫米，空心杯狀轉(zhuǎn)子因其轉(zhuǎn)動慣量小、響應快、運行穩(wěn)定而得到廣泛應用。
交流伺服電機沒有控制電壓時，定子中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止。當存在控制電壓時，定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。在負載不變的情況下，電機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電機就會反轉(zhuǎn)。
雖然交流伺服電機的工作原理與電容運轉(zhuǎn)單相異步電機相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻遠大于后者，因此與電容運轉(zhuǎn)異步電機相比，伺服電機有兩個顯著特點:
1.起動轉(zhuǎn)矩大:由于轉(zhuǎn)子阻力大，轉(zhuǎn)矩特性(機械特性)更接近線性，具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子就立即旋轉(zhuǎn)，其特點是啟動快，靈敏度高。
2.工作范圍廣:運行穩(wěn)定，噪音低。[/p] [p = 30，2，左] 3。無自旋轉(zhuǎn):一旦失去控制電壓，運行中的伺服電機將停止運行。
精密傳動微型電機
“精密傳動微專用電機”能快速、正確地執(zhí)行系統(tǒng)中頻繁變化的指令，并驅(qū)動伺服機構(gòu)完成指令所期望的工作，大部分能滿足以下要求:
1.可頻繁啟停、制動、倒車、低速運行，機械強度高、耐熱性好、絕緣水平高。
2.快速反應能力好，扭矩大，轉(zhuǎn)動慣量小，時間常數(shù)小。
3.有驅(qū)動器和控制器(如伺服電機和步進電機)，控制性能好。
4.可靠性和精度高。
精密傳動微特電機的種類、結(jié)構(gòu)和性能比較如下:
Ac 伺服電機
(1)籠型兩相交流伺服電機(籠型轉(zhuǎn)子細長，機械特性近似線性，體積和勵磁電流小，伺服功率小，低速運行不夠平穩(wěn))。
(2)非磁杯轉(zhuǎn)子的兩相交流伺服電機(空心杯轉(zhuǎn)子，近似線性機械特性，體積和勵磁電流大，低功率伺服，低速運行平穩(wěn))。
(3)鐵磁性杯轉(zhuǎn)子伺服電機的兩相交流電(鐵磁性杯轉(zhuǎn)子，近似線性機械特性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大，齒槽效應小，運行穩(wěn)定)。
(4)同步永磁AC 伺服電機(由永磁同步電機、轉(zhuǎn)速表和位置檢測元件組成的同軸集成單元，定子為3相或2相，磁性材料轉(zhuǎn)子必須配備驅(qū)動器；調(diào)速范圍寬，機械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)組成，連續(xù)失速，快速響應性能好，輸出功率高，轉(zhuǎn)矩波動??；方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動兩種方式，控制性能好，是機電一體化產(chǎn)品)。
(5)異步三相交流伺服電機(轉(zhuǎn)子類似籠型異步電動機，所以必須配備驅(qū)動器，采用矢量控制，擴大了恒功率調(diào)速范圍，多用于機床主軸調(diào)速系統(tǒng))。
伺服電機 DC
(1)印刷繞組DC 伺服電機(盤式轉(zhuǎn)子和盤式定子采用柱狀磁鋼軸向粘接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，無齒槽效應，無飽和效應，輸出扭矩大)。
(2)線繞DC 伺服電機(盤式轉(zhuǎn)子與定子軸向結(jié)合柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，控制性能優(yōu)于其他DC 伺服電機，效率高，輸出扭矩大)。
(3)杯形電樞永磁DC電機(空心杯形轉(zhuǎn)子具有較小的轉(zhuǎn)動慣量，適用于增量運動伺服系統(tǒng))。
(4)無刷DC 伺服電機(定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置傳感器，無火花干擾，使用壽命長，噪音低)。
力矩馬達
(1) DC力矩電機(水平組織、極數(shù)、槽數(shù)、換向器數(shù)、串聯(lián)導體數(shù)；輸出扭矩大，低速或堵轉(zhuǎn)時連續(xù)運行，機械和調(diào)節(jié)特性好，機電時間常數(shù)小)。
(2)無刷DC力矩電機(結(jié)構(gòu)與無刷DC 伺服電機相似，但扁平，有大量極、槽和串聯(lián)導體；輸出扭矩大，機械和調(diào)節(jié)特性好，使用壽命長，無火花，噪音低)。
(3)籠型交流力矩電機(籠型轉(zhuǎn)子，水平組織，極槽數(shù)多，起動力矩大，機電時間常數(shù)小，長期抱死轉(zhuǎn)子運行，機械特性軟)。
(4)實心轉(zhuǎn)子交流力矩電機(由鐵磁材料制成的實心轉(zhuǎn)子，水平組織，極數(shù)和槽數(shù)多，長期失速，運行平穩(wěn)，機械特性軟)。
步進電動機
(1)無功步進電機(定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片制成，轉(zhuǎn)子鐵芯上無繞組，定子上有控制繞組；步距角小，啟動和運行頻率高，步距角精度低，無自鎖力矩)。
(2)永磁步進電機(永磁轉(zhuǎn)子，徑向磁化極性；大步距角，低起動和運行頻率，保持轉(zhuǎn)矩，比無功型功耗小，但有正負脈沖電流)。
(3)混合式步進電機(永磁轉(zhuǎn)子，軸向磁化極性；步距角精度高，保持轉(zhuǎn)矩大，輸入電流小，兼有電抗和永磁的優(yōu)點)。
此外，還有開關磁阻電機和直線電機。
開關磁阻電機:定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片堆疊而成，均為凸極。大跨度無功步進電機的結(jié)構(gòu)與極數(shù)相似。它有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器。轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關，調(diào)速范圍小，噪音大，機械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和串聯(lián)勵磁特性區(qū)三部分組成。
直線電機:結(jié)構(gòu)簡單，導軌等可作為次級導體，適用于直線往復運動；高速伺服性能好，功率因數(shù)和效率高，恒速運行性能優(yōu)異。
