伺服電機知識

　伺服電機servomotor　　「伺服」一詞源於希臘語「奴隸」的意思。「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。　　伺服電機是自動控制裝置中被用作執行元件的微特電機，其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。　　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（非同步電機）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，接恆定交流電壓，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（要求分別小於10％～15％和小於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，但一般採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恆定。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。　　直流伺服電機的優點和缺點　　優點：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。　　缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒（無塵易爆環境不宜）　　交流伺服電機的優點和缺點　　優點：速度控制特性良好，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決於編碼器精度），額定運行區域內，可實現恆力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護（適用於無塵、易爆環境）　　缺點：控制較複雜，驅動器參數需要現場調整PID參數確定，需要更多的連線。　　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，調速範圍寬，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，通常用於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，控制複雜，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，適用於各種環境。　　交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和非同步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，其功率範圍大，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，適用於低速平穩運行場合　　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於編碼器的精度（線數）。　　什麼是伺服電機？有幾種類型？工作特點是什麼？　　答：伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中用作執行元件，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。　　伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。　　交流伺服電機和無刷直流伺服電機在性能上有什麼區別？　　答：交流伺服電機的性能要好一些，因為交流伺服是正弦波控制，轉矩脈動小；而無刷直流伺服是梯形波控制。但無刷直流伺服實現控制比較簡單，便宜。　　永磁交流伺服驅動技術的迅猛發展使直流伺服系統面臨被淘汰的危機［/p］［p=30， 2， left］20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼不斷推出新的交流伺服電機和伺服驅動器系列產品。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使直流伺服系統面臨被淘汰的危機。　　永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優點有：　　⑴無電刷和換向器，運行更可靠，免維護*****。　　⑵定子繞組發熱大大減少。　　⑶慣量小，系統快速響應性好。　　⑷高速大力矩工作狀態好。　　⑸相同功率下體積小重量輕。　　永磁交流伺服系統的興起和現狀　　自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年*****貿易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電機驅動系統開始，標誌著新一代交流伺服技術已經成熟。到1980年代中後期，各大公司都已有了完整的系列產品，整個伺服裝置市場都轉向了交流系統。早期的模擬系統在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數字信號處理器（DSP）的應用，出現了數字控制系統，控制部分可由軟體完成。到20世紀90年代以後，全數字正弦波控制的永磁交流伺服電機驅動系統在傳動領域中的地位進一步上升。　　目前高性能的電伺服系統大多採用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多採用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。［/p］　　永磁交流伺服系統各主要生產商概況　　日本安川電機製作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器，其中D系列適用於數控機床（最高轉速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用於機器人（最高轉速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之後又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先後推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅動的8051單片機控制，改為正弦波驅動的80C、154CPU和門陣列晶元控制，力矩波動由24％降低到7％，並提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率範圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等方面的不同需求。　　以生產機床數控裝置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世紀80年代中期也推出了S系列（13個規格）和L系列（5個規格）的永磁交流伺服電動機。其中L系列有較小的轉動慣量和機械時間常數，適用於要求特別快速響應的位置伺服系統。　　日本其他廠商，例如三菱電動機（*****、HC-MFS、*****、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機（SM系列）、大隈鐵工所（BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機（S系列）等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統的競爭行列。 ［/p］［p=30， 2， left］　　德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規格。　　德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標準型和短型兩大類，共8個機座號98種規格。據稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有後者的1／2，配套的晶體管脈寬調製驅動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。　　德國寶石（BOSCH）公司生產鐵氧體永磁的SD系列（17個規格）和稀土永磁的SE系列（8個規格）交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅動控制器。　　美國著名的伺服裝置生產公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅動器，後合併到AEG，恢復Gettys名稱，並推出A700全數字化交流伺服系統。　　美國AB（ALLEN-BRADLEY）公司驅動分部生產的1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器，電機包括3個機座號共30個規格。　　I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業驅動分部，曾生產BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。自1989年起推出了全新系列設計的永磁交流伺服電動機（Goldline），包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機座號，每大類有42個規格，全部採用釹鐵硼永磁材料，力矩範圍為0.84～111.2N.m，功率範圍為0.54～15.7kW。配套驅動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數字型、含位置控制）和Smart Drive（數字型）三個系列，最大連續電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。　　愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現合併到AEG，以生產直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。　　法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機共14個規格，並生產AXODYN系列驅動器。　　前蘇聯為數控機床和機器人伺服控制開發了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列採用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數據，共12個規格，連續力矩範圍為7～35N.m。2ДBy系列採用稀土永磁，6個機座號17個規格，力矩範圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。　　近年日本松下公司推出的全數字型MINAS系列交流伺服系統，其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規格，MHMA系列大慣量電動機的功率範圍從0.5～5kW，有7種規格。　　韓國三星公司近年開發的全數字永磁交流伺服電動機及驅動系統，其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。　　現在常採用功率變化率（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態響應性能。功率變化率表示電動機連續（額定）力矩與轉子轉動慣量之比。　　按功率變化率進行計算分析可知，永磁交流伺服電動機技術指標以美國I.D 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。　　伺服電機原理　　一、交流伺服電動機　　交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相非同步電動機相似。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。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。　　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範圍、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：一種是採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；另一種是採用鋁合金製成的空心杯形轉子，杯壁僅0.2-0.3mm，空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛採用。　　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，在負載恆定的情況下，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。　　交流伺服電動機的工作原理與電容運轉式單相非同步電動機雖然相似，但前者的轉子電阻比後者大得多，所以伺服電動機與電容運轉式非同步電動機相比，有三個顯著特點：　　1、起動轉矩大：由於轉子電阻大，使轉矩特性（機械特性）更接近於線性，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、運行範圍寬：運行平穩、噪音小。［/p］［p=30， 2， left］3、無自轉現象：運轉中的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。　　什麼叫做「精密傳動微特電機」？　　「精密傳動微特電機」能夠在系統中快速而正確地執行頻繁變化的指令，帶動伺服機構完成指令所期望的工作，大多能夠滿足以下要求：　　1、 能頻繁啟動、停止、制動、反轉及低速運行，且機械強度高、耐熱等級高、絕緣等級高。　　2、 快速相應能力好，轉矩較大，轉動慣量小，時間常數小。　　3、 帶有驅動器和控制器（如伺服電機、步進電機），控制性能良好。　　4、 高可靠性，高精度。　　「精密傳動微特電機」的類別、結構和性能　　1、 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；調速範圍寬、機械特性由恆轉矩區和恆功率區組成，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） 非同步型三相交流伺服電機（轉子與籠型非同步電機相似，必須配驅動器，採用矢量控制，擴大了恆功率調速範圍，多用於機床主軸調速系統）　　2、 直流伺服電機　　（1） 印製繞組直流伺服電機（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，控制性能優於其他直流伺服電機，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，適用於增量運動伺服系統）　　（4） 無刷直流伺服電機（定子為多相繞組，轉子為永磁式，帶轉子位置感測器，無火花干擾，壽命長，雜訊低）　　3、 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，雜訊低）　　（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）　　4、 步進電機　　（1） 反應式步進電機（定轉子均由硅鋼片疊成，轉子鐵心上無繞組，定子上有控制繞組；步距角小，啟動與運行頻率較高，步距角精度較低，無自鎖力矩）　　（2） 永磁步進電機（永磁式轉子，徑向磁化極性；步距角大，啟動與運行頻率低，有保持轉矩，消耗功率比反應式小，但須供正、負脈衝電流）　　（3） 混合式步進電機（永磁式轉子，軸向磁化極性；步距角精度高，有保持轉矩，輸入電流小，兼有反應式和永磁式兩者的優點）　　5、 開關磁阻電機（定轉子均由硅鋼片疊成，都為凸極式，與極數相接近的大步距反應式步進電機結構相似，帶有轉子位置感測器，轉矩方向與電流方向無關，調速範圍小，雜訊大，機械特性由恆轉矩區、恆功率區、串勵特性區三部分組成）　　6、 直線電機（結構簡單，導軌等可作為二次導體，適用於直線往複運動；高速伺服性能好，功率因數和效率高，恆速運行性能優）　　交流非同步伺服電機的規格與性能　　項目 規格與性能　　結構型式 籠型感應電動機　　冷卻方式 小型機：全封閉；中型機：全封閉外扇冷型與防護強迫通風型　　額定功率 0.1-1.5kw；2.2-22kw；30-55kw　　額定轉矩 0.33-7.3N.M；10.7-107.8N.M；117-269N.M　　額定轉速 3000r/min；3000r/min；2000r/min　　額定電壓 80-120V；120V；150V　　瞬時最大轉矩 500%　　能率 4.25-11kw/s；44-293kw/s；516-860kw/s　　轉子GD2 0.0001-0.005kg.cm2；0.01-0.15kg.cm2；0.15-0.32kg.cm2　　適用負載GD2 電動機GD2的5倍　　頻率特性 50-100HZ　　電源電壓 三相交流80-200V　　控制方式 晶體管式等效正弦波PWM控制　　調速範圍 1比1000　　調速精度 負載變動（0%-100%）?±0.1%；電源變動（±10%）?±0.1%　　冷卻方式 小型機用自冷式；中型機用強制風冷式　　保護功能 過電壓，過電流，過載，速度，溫升，編碼器　　適用環境 環境空氣溫度0-50oC，環境空氣濕度85%以下，海拔1000米以下　　交流永磁伺服電機的規格與性能 項目 規格與性能　　電源 穩定電壓或調壓直流電源（蓄電池、整流器）；6.3-48V60-120V　　主要構成設備 兩相或三相永磁同步電機，電力三極體交流器（方形波或等效正　　弦波=PWM）無觸點轉子位置感測器以及放大器　　額定功率 0.5w-0.75kw-2.9kw　　額定轉速 1000-3000r/min，也可20000r/min以上　　結構型式 保護全滴型或全封閉型較多　　額定時間 連續額定　　輸出特性 恆轉矩特性　　轉速-轉矩特性 加減恆轉矩特性　　調速範圍0%-100%　　速度控制裝置置於電機內部。多為恆轉速特性（精度可達正負0.5%）　　轉矩脈動比直流電動機大　　效率 50%-80%，無因控制引起的損耗，減速時仍有較高的效率　　啟動特性 啟動轉矩大於100%，瞬時最大轉矩大於300%，轉矩與電流成比例　　採用逐漸升高電壓的降壓啟動法，小型機可直接啟動　　速度控制 改變電力三極體變流器的直流輸入電壓調速　　制動 能耗制動和反接制動較為簡單　　正反轉 可通過改變轉子位置檢測信號順序實現正反轉控制，實現無觸點控　　制而不必切換主電路　　其他優點 因為無刷，是可靠性很高的電動機　　把三極體控制器置於電動機上，可獲得小型恆轉速電動機　　與負載的連接 用柔性聯接器直連，齒輪鏈接，皮帶連接等，無限制。　　負載轉動慣量小於電動機轉動慣量的5倍　　維護 除軸承外無需維護　　使用環境 可適用惡劣環境，但不適於高溫環境　　使用注意事項 因使用了半導體元器件，對周圍溫度需加以限制；因轉矩脈動　　較大需注意低速運行情況　　運行輔助設備 除直流電源外，還需斷路器、熔斷器等保護裝置以及速度控制　　時的調壓直流電源　　用途 機床、機器人、測量儀器、自動化儀錶、音響設備、辦公設備　　以及計算機的磁帶傳送機等