伺服電機(jī)原理

1、伺服電機(jī)原理一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90。的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組 Rf,它始終接在交流電壓 Uf上；另一個(gè)是控制繞 組L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓 Uco所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú) 自轉(zhuǎn)現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁合金制成

2、的空心杯形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)， 定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)， 轉(zhuǎn)子靜止不 動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化， 當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)， 伺服電動(dòng) 機(jī)將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子電

3、阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S01,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓， 轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。2、運(yùn)行范圍較廣3、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控 制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1 S1、T2 S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性 （TS曲線）交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz

4、,電壓有36V、110V、220、380V;當(dāng)電源頻率為 400Hz ,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、 噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比， 體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W 的小功率控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)工作原理.伺服主要靠脈沖來(lái)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)?，伺服電機(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(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道

5、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(lái)， 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(wú)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)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(wú)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。.交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，

6、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)）。什么是伺服電機(jī)？有幾種類型？工作特點(diǎn)是什么？答：伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，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)

7、是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，請(qǐng)問(wèn)交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)在功能上有什么區(qū)別？答：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。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。

8、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。定子繞組散熱比較方便。慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。同功率下有較小的體積和重量。伺服電機(jī)安裝使用注意事項(xiàng)、伺服電機(jī)油和水的保護(hù)A:伺服電機(jī)可以用在會(huì)受水或油滴侵襲的場(chǎng)所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服電機(jī)不應(yīng)當(dāng)放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。B:如果伺服電機(jī)連接到一個(gè)減速齒輪，使用伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)加油封，以防止減速齒輪 的油進(jìn)入伺服電機(jī)C:伺服電機(jī)的電纜不要浸沒(méi)在油或水中。二、伺服電機(jī)電纜 一減輕應(yīng)力A:確保電纜不因外部

9、彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷，尤其是在電纜出口處 或連接處。B:在伺服電機(jī)移動(dòng)的情況下，應(yīng)把電纜（就是隨電機(jī)配置的那根）牢固地固定到一個(gè) 靜止的部分（相對(duì)電機(jī)），并且應(yīng)當(dāng)用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來(lái)延長(zhǎng)它，這樣彎曲 應(yīng)力可以減到最小。C:電纜的彎頭半徑做到盡可能大。三、伺服電機(jī)允許的軸端負(fù)載A:確保在安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加到伺服電機(jī)軸上的徑向和軸向負(fù)載控制在每種型號(hào)的規(guī)定值 以內(nèi)。B:在安裝一個(gè)剛性聯(lián)軸器時(shí)要格外小心，特別是過(guò)度的彎曲負(fù)載可能導(dǎo)致軸端和軸承 的損壞或磨損C:最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負(fù)載低于允許值，此物是專為高機(jī)械強(qiáng)度的伺服電 機(jī)設(shè)計(jì)的。D:關(guān)于允許軸負(fù)載，請(qǐng)參閱允許的軸

10、負(fù)荷表”（使用說(shuō)明書）。四、伺服電機(jī)安裝注意（錘子直接敲A:在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機(jī)軸端時(shí)，不要用錘子直接敲打軸端。打軸端，伺服電機(jī)軸另一端的編碼器要被敲壞）B:竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)（對(duì)不好可能導(dǎo)致振動(dòng)或軸承損壞）。伺服電機(jī)工作原理伺服電機(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。永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點(diǎn):（1）電動(dòng)機(jī)無(wú)電刷和換向器，工作可靠， 維護(hù)和保養(yǎng)簡(jiǎn)單；（2）定子繞組散熱快;（3）慣量小,易提高系統(tǒng)的快速性；（4） 適應(yīng)于高速大力矩

11、工作狀態(tài);（5）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用 于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、 紡織機(jī)械等場(chǎng)合，滿足了傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展需求。永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入 了全數(shù)字的時(shí)代。全數(shù)字 伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、 低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈 活，使伺服驅(qū)動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且性能更加的可靠?，F(xiàn)在，高性能的伺服系 統(tǒng),大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流 伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交 流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)器有兩部分組成：驅(qū)動(dòng)器硬件和控

12、制算 法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)外交流伺服技 術(shù)封鎖的主要部分，也是在 技術(shù)壟斷的核心。2交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器主要有 伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、交訊接口單元、 伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成， 具結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制 單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同 步驅(qū)動(dòng)器具集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性 能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所不 可比擬的。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP作為控制核心，具優(yōu)點(diǎn)是 可

13、以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采 用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同 時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè) 保護(hù)電路,在主回路中還加入 軟 后辿電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。圖1交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動(dòng)板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二 是開(kāi)關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。控制板是弱電部分,是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行 載體?？刂瓢逋ㄟ^(guò)相應(yīng)的算法輸出

14、PWM1號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改逆 變器的輸出功率,以達(dá)到控制三相永磁式同步 交流伺服電機(jī)的目的。圖2功聿板,3功率驅(qū)動(dòng)單元功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋 整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得 到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWW壓型逆變 器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。 功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單 的說(shuō)就是AC-DC-AC勺過(guò)程。整流單元（AC-DC主要的拓it電路是三相全橋不控 整流電路。逆變部分（DC-AC采用采用的功率器件集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一 體的智能功率模塊（IPM）,主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相橋式 電路原理圖見(jiàn)圖3, 利

15、用了脈寬調(diào)制技術(shù)即 PWM（Pulse Width Modulation）通過(guò)改變功率 晶體管交替 導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比 也就是說(shuō)通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率 的目的。田表I三相逆變電將分折$卡*鞏+“3J83gc*A尸33 %心你UD?而A1工加門X /爐- X 匕& /1-0*38A-%用一乙 Fr* /31alu由3（川1-. T 2心/加Lb： Z3 口g（7口產(chǎn)口-11 尸一1，口-L加州2 乙 /31C,A加4控制單元控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩 和電流控制器。所

16、采用的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外， 還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如 A/D轉(zhuǎn)換器、PWM：生器、定 時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài) RAMF大 容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)采用磁場(chǎng)定向的控制原理 （FOC）和坐標(biāo) 變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制（VC）,同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制（SPWM脆制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行 而T 。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過(guò)檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及 幅值來(lái)控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與 直流 電機(jī)的控制方法相似,可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通 位置與轉(zhuǎn)子

17、機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的 磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）（司服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī) 時(shí)，可分別工作在電流（轉(zhuǎn)矩）、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如 圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）采用的是永久磁鐵勵(lì)磁,其磁場(chǎng)可以視 為是恒定；同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的 電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速,即其轉(zhuǎn)差為零。這些 條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得 以大大的降低。從圖4可以看出，系統(tǒng)是基于測(cè)量電機(jī)的兩相電流反饋和電機(jī)位 置。將測(cè)得的相電流結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變化（從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子 d ,q坐標(biāo)系），得到分量，分別進(jìn)入各自得電流 調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò) 反向坐標(biāo)變化（從d ,q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系），得到三相電壓指令?？?制芯片通過(guò)這三相電壓指令，經(jīng)過(guò)反向、延時(shí)后，得到6路PW械輸出到功率器 件，控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸