直流、交流伺服電機的結構及工作原理

　　一、伺服電機(servomotor)的由來和定義

　　伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。

　　伺服系統：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。伺服的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

　　由于它的“伺服”性能，因此它就被命名為伺服電機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉為軸上輸出的角位移和角速度驅動控制對象。

　　伺服電機一般分為兩大類：直流伺服電機、交流伺服電機。

　　二、交流伺服電動機

　　1、交流伺服電機的結構

　　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。

　　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。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。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。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。

　　2、交流伺服電動機的工作原理

　　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。

　　3、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，與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率,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。

　　2、運行范圍較廣

　　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以及合成轉矩特性.

　　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，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統。

　　三、直流伺服電機

　　1、直流伺服電機的結構

　　最早的伺服電動機是一般的直流電動機，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機做伺服電動機。目前的直流伺服電動機從結構上講,就是小功率的直流電動機,其勵磁多采用電樞控制和磁場控制,但通常采用電樞控制。

　　2、直流伺服電機的原理

　　直流伺服電機的工作原理與普通的直流電機工作原理基本相同。依靠電樞氣流與氣隙磁通的作用產生電磁轉矩，使伺服電機轉動。通常采用電樞控制方式，在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電壓來改變轉速。電壓越小轉速越低，電壓為零時，停止轉動。因為電壓為零時，電流也為零，所以電機不會產生電磁轉矩，既不會出現自轉現象。

　　3、 直流伺服電機的特點

　　輸入或輸出為直流電能的旋轉電機。它的模擬調速系統一般是由2個閉環構成的，既速度閉環和電流閉環，為使二者能夠相互協調、發揮作用，在系統中設置了2個調節器，分別調節轉速和電流。2個反饋閉環在結構上采用一環套一環的嵌套結構，這就是所謂的雙閉環調速系統，它具有動態響應快、抗干擾能力強等優點，因而得到廣泛地應用。通常是由模擬運放構成PI或PID電路;信號調理主要是對反饋信號進行濾波、放大。考慮到直流電機的數學模型，模擬調速系統動態傳遞函數關系在模擬調速系統的調試過程中，因電機的參數或負載的機械特性與理論值有較大差異，往往需要頻繁更換R，C等元件來改變電路參數，以獲得預期的動態性能指標，這樣做起來非常麻煩，如果采用可編程模擬器件構成調節器電路，系統參數如增益、帶寬甚至電路結構都可以通過軟件進行修改，調試起來就非常方便。