伺服電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹2

** 伺服電動機的介紹**

伺服電動機（或稱執(zhí)行電動機）是自動控制系統(tǒng)和計算裝置中廣泛應(yīng)用的一種執(zhí)行元件。其作用為把接受的電信號轉(zhuǎn)換為電動機轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。按電流種類的不同，伺服電動機可分為直流和交流兩大類。一、交流伺服電動機

1、結(jié)構(gòu)和原理交流伺服電動機的定子繞組和單相異步電動機相似，它的定子上裝有兩個在空間相差90°電角度的繞組，即勵磁繞組和控制繞組。運行時勵磁繞組始終加上一定的交流勵磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種。

籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細長，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體用高電阻率的材料作成。其目的是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，增加啟動轉(zhuǎn)矩對輸入信號的快速反應(yīng)和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?？招谋无D(zhuǎn)子交流伺服電動機的定子分為外定子和內(nèi)定子兩部分。外定子的結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動機的定子相同，鐵心槽內(nèi)放有兩相繞組。

空心杯形轉(zhuǎn)子由導(dǎo)電的非磁性材料（如鋁）做成薄壁筒形，放在內(nèi)、外定子之間。杯子底部固定于轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2—0.8mm，因而轉(zhuǎn)動慣量小，動作快且靈敏。交流伺服電動機的工作原理和單相異步電動機相似，LL是有固定電壓勵磁的勵磁繞組，LK是有伺服放大器供電的控制繞組，兩相繞組在空間相差90°電角度。

如果IL與Ik的相位差為90°，而兩相繞組的磁動勢幅值又相等，這種狀態(tài)稱為對稱狀態(tài)。與單相異步電動機一樣，這時在氣隙中產(chǎn)生的合成磁場為一旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對切割，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果改變加在控制繞組上的電流的大小或相位差，就破壞了對稱狀態(tài)，使旋轉(zhuǎn)磁場減弱，電動機的轉(zhuǎn)速下降。電機的工作狀態(tài)越不對稱，總電磁轉(zhuǎn)矩就越小，當除去控制繞組上信號電壓以后，電動機立即停止轉(zhuǎn)動。這是交流伺服電動機在運行上與普通異步電動機的區(qū)別。

交流伺服電動機有以下三種轉(zhuǎn)速控制方式：

（1）幅值控制控制電流與勵磁電流的相位差保持90°不變，改變控制電壓的大小。

（2）相位控制控制電壓與勵磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。

（3）幅值—相位控制同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。

2工作特性和用途伺服電動機的工作特性是以機械特性和調(diào)節(jié)特性為表征。在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降；它的調(diào)節(jié)特性是在負載一定時，控制電壓越高，轉(zhuǎn)速也越高。伺服電動機有三個顯著特點：

（1）啟動轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻很大，可使臨界轉(zhuǎn)差率Ｓｍ＞１，定子一加上控制電壓，轉(zhuǎn)子立即啟動運轉(zhuǎn)．

（２）運行范圍寬在轉(zhuǎn)差率從０到１的范圍內(nèi)都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)．

（３）無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象控制信號消失后，電動機旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱＂自轉(zhuǎn)＂．自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然要避免．正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機只要失去控制電壓后，伺服電動機就處于單相運行狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻足夠大，使得總電磁轉(zhuǎn)矩始終是制動性的轉(zhuǎn)矩，當電動機正轉(zhuǎn)時失去Ｕｋ（控制電壓），產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負（０＜Ｓ＜１）。而反轉(zhuǎn)時失去UK，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正（1〈S〈2時〉，不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以自行制動，迅速停止運轉(zhuǎn)，這也是交流伺服電動機與異步電動機的重要區(qū)別。

不同類型的交流伺服電動機具有不同的特點。籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電動機具有勵磁電流較小、體積較小、機械強度高等特點；但是低速運行不夠平穩(wěn)，有抖動現(xiàn)象。

空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、轉(zhuǎn)動慣量小、運行平滑、噪聲小、沒有無線電干擾、無抖動現(xiàn)象等優(yōu)點；但是勵磁電流較大，體積也較大，轉(zhuǎn)子易變形，性能上不及直流伺服電動機。交流伺服電動機適用于0.1—100W小功率自動控制系統(tǒng)中，頻率有50Hz、400Hz等多種。

籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電動機產(chǎn)品為SL系列?？招谋无D(zhuǎn)子交流伺服電動機為SK系列，用于要求運行平滑的系統(tǒng)中。二、直流伺服電動機直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)與普通他勵直流電動機一樣，所不同的是直流伺服電動機的電樞電流很小，換向并不困難，因此都不用裝換向磁極，并且轉(zhuǎn)子做得細長，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。

按勵磁方式不同，可分為電磁式和永磁式兩種，電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生，一般用他勵式；永磁式直流伺服電動機的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，無需勵磁繞組和勵磁電流，可減小體積和損耗。為了適應(yīng)各種不同系統(tǒng)的需要，從結(jié)構(gòu)上作了許多改進，又發(fā)展了低慣量的無槽電樞、空心杯形電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動機等品種。

電磁式直流伺服電動機的工作原理和他勵式直流電動機同，因此電磁式直流伺服電動機有兩種控制轉(zhuǎn)速方式：電樞控制和磁場控制。對永磁式直流伺服電動機來說，當然只有電樞控制調(diào)速一種方式。由于磁場控制調(diào)速方式的性能不如電樞控制調(diào)速方式，故直流伺服電動機一般都采用電樞控制調(diào)速。

直流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓的極性改變而改變。直流伺服電動機的機械特性與他勵直流電動機相似，即n=n0-αT。當勵磁不變時，對不同電壓Ua有一組下降的平行直線。直流伺服電動機適用于功率稍大（1—600W）的自動控制系統(tǒng)中。

與交流伺服電動機相比，它的調(diào)速線性好，體積小，質(zhì)量輕，啟動轉(zhuǎn)矩大，輸出功率大。但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是低速穩(wěn)定性差，有火花會引起無線電干擾。近年來，發(fā)展了低慣量的無槽電樞電動機、空心杯形電樞電動機、印制繞組電樞電動機和無刷直流伺服電動機，來提高快速響應(yīng)能力，適應(yīng)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展需要，如電視攝象機、錄音機、X—Y函數(shù)記錄

永磁交流伺服電動機

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。

交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(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機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：

⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅(qū)動系統(tǒng)，這標志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品

。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)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(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行，分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。

到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)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。

日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六個系列。20世紀90年代先后推出了新的D系列和R系列。

由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24％降低到7％，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構(gòu)、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、繞線機等的不同需要。

以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世紀80年代中

期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機。L系列

有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。

日本其他廠商，例如：三菱電動機（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、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(tǒng)的競爭行列。

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(guī)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(guī)格。據(jù)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，重量只有后者的1／2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)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(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機和ServodynSM系列的驅(qū)動控制器。

美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould電子公司一個分部（MotionControlDivision），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600系列的伺服

驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。

美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)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。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。

I.D.（IndustrialDrives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅(qū)動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機，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(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和SmartDrive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術(shù)最新水平。

愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)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(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)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(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）

交流伺服電動機共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。

原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，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(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機座號17個規(guī)格，力矩范圍為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(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，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(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。

韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅(qū)動系統(tǒng)，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(xiàn)在常采用摴β時浠蕯（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shù)指標以美國I.D的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。