伺服電機(jī)是自動(dòng)控制裝置中用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微型電機(jī)，其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電機(jī)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或角速度輸出在電機(jī)軸上?！八欧姍C(jī)”可以理解為絕對(duì)服從控制信號(hào)指令的電機(jī):在控制信號(hào)發(fā)出之前，轉(zhuǎn)子還在；當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子可以立即停止。
伺服電機(jī)的分類(lèi)
伺服電機(jī)分為交流伺服和DC伺服。
交流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似于交流感應(yīng)電機(jī)(異步電機(jī))。在定子上，有兩個(gè)相空間偏移90度的勵(lì)磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，它們以恒定的交流電壓連接。通過(guò)使用施加在Wc上的交流電壓或相位變化，可以控制電機(jī)。伺服電機(jī)交流具有運(yùn)行穩(wěn)定、可控性好、響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線(xiàn)性指標(biāo)嚴(yán)格(分別小于10% ~ 15%和小于15% ~ 25%)。
DC 伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):速度控制準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性硬，控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉。
缺點(diǎn):電刷換向、限速、附加電阻、磨損顆粒(不適合無(wú)塵易爆環(huán)境)。
伺服電機(jī) DC電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通DC電機(jī)相似。電機(jī)轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，其中E為電樞反電動(dòng)勢(shì)，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(jī)的速度。然而，在永磁DC伺服電機(jī)中，勵(lì)磁繞組被永磁體取代。DC伺服電機(jī)具有良好的線(xiàn)性調(diào)節(jié)特性和快速的時(shí)間響應(yīng)。
AC 伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):調(diào)速特性好，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制平穩(wěn)，幾乎無(wú)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(wú)電刷磨損，免維護(hù)(適用于無(wú)塵、易爆環(huán)境)。
缺點(diǎn):控制復(fù)雜，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)來(lái)確定PID參數(shù)，需要更多的連接。
DC 伺服電機(jī)可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)。
無(wú)刷電機(jī)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、易于控制和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但容易維護(hù)(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(chǎng)合。
無(wú)刷電機(jī)具有體積小、重量輕、輸出大、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)速高、慣性小、轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)平穩(wěn)、控制復(fù)雜智能、電子換向方式靈活、方波或正弦波換向、電機(jī)免維護(hù)、高效節(jié)能、電磁輻射低、溫升低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種環(huán)境。
伺服電機(jī)交流也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。目前運(yùn)動(dòng)控制一般采用同步電機(jī)，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(yùn)行的場(chǎng)合。
伺服電機(jī)里面的轉(zhuǎn)子是永磁體，驅(qū)動(dòng)器控制U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，電機(jī)提供的編碼器將反饋信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)器，并將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。伺服電機(jī)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(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，DC伺服系統(tǒng)面臨著被淘汰的危機(jī)[/p] [p = 30，2，左]自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣制造商相繼推出了新的交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品。交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)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(jī)。
與DC伺服電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
(1)無(wú)電刷和換向器，運(yùn)行更可靠，免維護(hù)。
??The定子繞組發(fā)熱大大減少。
⑶慣性小，系統(tǒng)快速響應(yīng)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(jī)原則
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(gè)位置相差90度的繞組。一個(gè)是激勵(lì)繞組Rf，它總是連接到交流電壓Uf。另一個(gè)是控制繞組L，與控制信號(hào)電壓Uc相連。所以交流伺服電機(jī)也叫雙伺服電機(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)具有更寬的調(diào)速范圍、線(xiàn)性的機(jī)械特性、無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)性能，與普通電機(jī)相比應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小兩個(gè)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(dòng)慣量，將轉(zhuǎn)子做成細(xì)長(zhǎng)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(dòng)慣量小、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定而得到廣泛應(yīng)用。
交流伺服電機(jī)沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止。當(dāng)存在控制電壓時(shí)，定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。在負(fù)載不變的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。
雖然交流伺服電機(jī)的工作原理與電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電機(jī)相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻遠(yuǎn)大于后者，因此與電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)相比，伺服電機(jī)有兩個(gè)顯著特點(diǎn):
1.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大:由于轉(zhuǎn)子阻力大，轉(zhuǎn)矩特性(機(jī)械特性)更接近線(xiàn)性，具有較大的起動(dòng)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(diǎn)是啟動(dòng)快，靈敏度高。
2.工作范圍廣:運(yùn)行穩(wěn)定，噪音低。[/p] [p = 30，2，左] 3。無(wú)自旋轉(zhuǎn):一旦失去控制電壓，運(yùn)行中的伺服電機(jī)將停止運(yùn)行。
精密傳動(dòng)微型電機(jī)
“精密傳動(dòng)微專(zhuān)用電機(jī)”能快速、正確地執(zhí)行系統(tǒng)中頻繁變化的指令，并驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)完成指令所期望的工作，大部分能滿(mǎn)足以下要求:
1.可頻繁啟停、制動(dòng)、倒車(chē)、低速運(yùn)行，機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好、絕緣水平高。
2.快速反應(yīng)能力好，扭矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，時(shí)間常數(shù)小。
3.有驅(qū)動(dòng)器和控制器(如伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī))，控制性能好。
4.可靠性和精度高。
精密傳動(dòng)微特電機(jī)的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和性能比較如下:
Ac 伺服電機(jī)
(1)籠型兩相交流伺服電機(jī)(籠型轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)，機(jī)械特性近似線(xiàn)性，體積和勵(lì)磁電流小，伺服功率小，低速運(yùn)行不夠平穩(wěn))。
(2)非磁杯轉(zhuǎn)子的兩相交流伺服電機(jī)(空心杯轉(zhuǎn)子，近似線(xiàn)性機(jī)械特性，體積和勵(lì)磁電流大，低功率伺服，低速運(yùn)行平穩(wěn))。
(3)鐵磁性杯轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)的兩相交流電(鐵磁性杯轉(zhuǎn)子，近似線(xiàn)性機(jī)械特性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，齒槽效應(yīng)小，運(yùn)行穩(wěn)定)。
(4)同步永磁AC 伺服電機(jī)(由永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)速表和位置檢測(cè)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(dòng)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，連續(xù)失速，快速響應(yīng)性能好，輸出功率高，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?。环讲?qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)兩種方式，控制性能好，是機(jī)電一體化產(chǎn)品)。
(5)異步三相交流伺服電機(jī)(轉(zhuǎn)子類(lèi)似籠型異步電動(dòng)機(jī)，所以必須配備驅(qū)動(dòng)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))。
伺服電機(jī) DC
(1)印刷繞組DC 伺服電機(jī)(盤(pán)式轉(zhuǎn)子和盤(pán)式定子采用柱狀磁鋼軸向粘接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，無(wú)齒槽效應(yīng)，無(wú)飽和效應(yīng)，輸出扭矩大)。
(2)線(xiàn)繞DC 伺服電機(jī)(盤(pán)式轉(zhuǎn)子與定子軸向結(jié)合柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，控制性能優(yōu)于其他DC 伺服電機(jī)，效率高，輸出扭矩大)。
(3)杯形電樞永磁DC電機(jī)(空心杯形轉(zhuǎn)子具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，適用于增量運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng))。
(4)無(wú)刷DC 伺服電機(jī)(定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置傳感器，無(wú)火花干擾，使用壽命長(zhǎng)，噪音低)。
力矩馬達(dá)
(1) DC力矩電機(jī)(水平組織、極數(shù)、槽數(shù)、換向器數(shù)、串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；輸出扭矩大，低速或堵轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)運(yùn)行，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小)。
(2)無(wú)刷DC力矩電機(jī)(結(jié)構(gòu)與無(wú)刷DC 伺服電機(jī)相似，但扁平，有大量極、槽和串聯(lián)導(dǎo)體；輸出扭矩大，機(jī)械和調(diào)節(jié)特性好，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)火花，噪音低)。
(3)籠型交流力矩電機(jī)(籠型轉(zhuǎn)子，水平組織，極槽數(shù)多，起動(dòng)力矩大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，長(zhǎng)期抱死轉(zhuǎn)子運(yùn)行，機(jī)械特性軟)。
(4)實(shí)心轉(zhuǎn)子交流力矩電機(jī)(由鐵磁材料制成的實(shí)心轉(zhuǎn)子，水平組織，極數(shù)和槽數(shù)多，長(zhǎng)期失速，運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械特性軟)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
(1)無(wú)功步進(jìn)電機(jī)(定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片制成，轉(zhuǎn)子鐵芯上無(wú)繞組，定子上有控制繞組；步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，步距角精度低，無(wú)自鎖力矩)。
(2)永磁步進(jìn)電機(jī)(永磁轉(zhuǎn)子，徑向磁化極性；大步距角，低起動(dòng)和運(yùn)行頻率，保持轉(zhuǎn)矩，比無(wú)功型功耗小，但有正負(fù)脈沖電流)。
(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(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(diǎn))。
此外，還有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和直線(xiàn)電機(jī)。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī):定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片堆疊而成，均為凸極。大跨度無(wú)功步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與極數(shù)相似。它有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器。轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，調(diào)速范圍小，噪音大，機(jī)械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和串聯(lián)勵(lì)磁特性區(qū)三部分組成。
直線(xiàn)電機(jī):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)軌等可作為次級(jí)導(dǎo)體，適用于直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；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)異。
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