伺服電機的工作原理與基本知識

“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。

      電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類

交流伺服電機的基本構造與交流感應電動機(異步電機)相似。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf，接恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電機運行的目的。交流伺服電機具有運行穩定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節特性的非線性度指標嚴格(要求分別小于10%～15%和小于15%～25%)等特點。

直流伺服電機基本構造與一般直流電動機相似。電機轉速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E為電樞反電動勢，K為常數，j為每極磁通，Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流，Ra為電樞電阻，改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉速，但一般采用控制電樞電壓的方法，在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恒定。直流伺服電動機具有良好的線性調節特性及快速的時間響應。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機

有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便(換碳刷)，產生電磁干擾，對使用環境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業和民用場合。

無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環境。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，其功率范圍大，功率可以做到很大，大慣量，最高轉速低，轉速隨功率增大而勻速下降，適用于低速平穩運行場合

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制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將反饋信號傳給驅動器，對反饋值與目標值進行比較，從而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)。

（圖為三菱伺服電機）

交流伺服電機

(1)籠型兩相交流伺服電機(細長籠型轉子、機械特性近似線性、體積和勵磁電流小、小功率伺服、低速運轉不夠平滑)

(2)非磁性杯型轉子兩相交流伺服電機(空心杯轉子、機械特性近似線性、體積和勵磁電流較大、小功率伺服、低速運轉平滑)

(3)鐵磁杯型轉子兩相交流伺服電機(鐵磁材料杯型轉子、機械特性近似線性、轉子轉動慣量大、齒槽效應小、運行平穩)

(4)同步型永磁交流伺服電機(由永磁同步電機、測速機及位置檢測元件同軸一體機組，定子為3相或2相，磁性材料轉子，必須配驅動器;調速范圍寬、機械特性由恒轉矩區和恒功率區組成，可連續堵轉，快速相應性能好，輸出功率大，轉矩波動小;有方波驅動和正弦波驅動兩種方式，控制性能好，為機電一體化產品)

(5)異步型三相交流伺服電機(轉子與籠型異步電機相似，必須配驅動器，采用矢量控制，擴大了恒功率調速范圍，多用于機床主軸調速系統)

直流伺服電機

(1)印制繞組直流伺服電機(盤形轉子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉子轉動慣量小，無齒槽效應，無飽和效應，輸出轉矩大)

(2)線繞盤式直流伺服電機(盤形轉子、定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉子轉動慣量小，控制性能優于其他直流伺服電機，效率高，輸出轉矩大)

(3)杯型電樞永磁直流電機(空心杯轉子，轉子轉動慣量小，適用于增量運動伺服系統)

(4)無刷直流伺服電機(定子為多相繞組，轉子為永磁式，帶轉子位置傳感器，無火花干擾，壽命長，噪聲低)

力矩電機

(1)直流力矩電機(扁平結構，極數槽數換向片數串聯導體數多;輸出轉矩大，低速或堵轉下可連續工作，機械和調節特性好，機電時間常數小)

(2)無刷直流力矩電機(與無刷直流伺服電機結構相似，但為扁平狀，極數槽數串聯導體數多;輸出轉矩大，機械和調節特性好，壽命長，無火花，噪聲低)

(3)籠型交流力矩電機(籠型轉子，扁平結構，極數槽數多，啟動轉矩大，機電時間常數小，可長期堵轉運行，機械特性較軟)

(4)實心轉子交流力矩電機(鐵磁材料實心轉子，扁平結構，極數槽數多，可長期堵轉，運行平滑，機械特性較軟)

從交流伺服電機的矢量控制技術本身來說已日趨完善普及。從實時操作系統的角度來看，它只是需要實時響應處理的一個功能模塊。由于控制器的多功能、智能化要求，大量的信號處理，適應控制需要的各種數學模型的建立與運行，網絡通訊等各個功能模塊將會在實時操作系統的統一調度和管理下得到正確可靠的運行。

因此，下一代的伺服驅動控制器將會是一個集各種現代控制技術之大成的結晶，而并非是傳統意義上的功率放大器。