伺服電機(jī)的基本特性及運(yùn)用

伺服電機(jī)的基本特性及運(yùn)用

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平越來(lái)越高，伺服電機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文從伺服電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，介紹了伺服電機(jī)的定義、構(gòu)成和基本原理；同時(shí)也將伺服電機(jī)對(duì)軸承的要求進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)的介紹。

01DEFINITION

伺服電機(jī)的定義與特性

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，是精密運(yùn)動(dòng)控制中一種可控的，進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換的機(jī)械電磁裝置。

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸，可在受控狀態(tài)下非常準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)上位機(jī)要求的位置、速度和轉(zhuǎn)矩命令，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載對(duì)象。伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、過(guò)載能力強(qiáng)、線(xiàn)性度高等特性。

01性能好

采用高性能的釹鐵硼勵(lì)磁，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能更好；機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線(xiàn)性度高。

02效率高不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，銅損小，發(fā)熱小，效率高；在很高的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都能保持較高的輸出效率；過(guò)載能力強(qiáng)。

02CONSTITUTE

伺服電機(jī)的構(gòu)成

定子設(shè)計(jì)：

1、SM系列伺服采用了分瓣實(shí)鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超高槽滿(mǎn)率，降低發(fā)熱，提高輸出功率2、定子采用鋁機(jī)殼、真空環(huán)氧灌封設(shè)計(jì)，最大限度提高了電機(jī)的散熱能力3、真空環(huán)氧灌封設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)的絕緣能力，并有效的保護(hù)電機(jī)繞組，使得電機(jī)能夠適應(yīng)惡劣的應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)：

1、高磁能級(jí)磁鋼有效提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩2、分段錯(cuò)位磁鋼結(jié)構(gòu)，有效減少齒槽轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于速度控制和精確定位3、轉(zhuǎn)子平衡塊使得電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)

抱閘設(shè)計(jì)：

抱閘是機(jī)器人電機(jī)的基本選項(xiàng)。近乎95%以上的伺服電機(jī)需要抱閘，要確保時(shí)刻抱閘，尤其在緊急停車(chē)時(shí)可靠運(yùn)行，抱閘需要有足夠的安全系數(shù)，靜扭矩大約在電機(jī)額定扭矩的1.5倍左右，重載型機(jī)器人電機(jī)抱閘的安全系數(shù)要達(dá)到2.0甚至2.5倍。有一點(diǎn)需要注意的是，機(jī)器人電機(jī)的抱閘是安全制動(dòng)器，不是剎車(chē)制動(dòng)器，控制上要確保在急停狀態(tài)下通過(guò)制動(dòng)電阻讓伺服驅(qū)動(dòng)器的剎車(chē)電路工作，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0的時(shí)候抱閘動(dòng)作。為了提高抱閘的響應(yīng)速度，永磁抱閘優(yōu)于電磁彈簧抱閘。

編碼器設(shè)計(jì)：

編碼器安裝于電機(jī)尾端，是屬于電機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置傳感器?？梢詼y(cè)量轉(zhuǎn)子的位置用于伺服控制磁場(chǎng)定位和轉(zhuǎn)子實(shí)際位置和速度給控制電腦，用于運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算。機(jī)器人電機(jī)編碼器一般精度不高，但需要多圈絕對(duì)位置可測(cè)量，保證斷電之后，再次運(yùn)行，斷電前面的位置可以記憶。目前流行三種方式解決機(jī)器人電機(jī)編碼器的問(wèn)題。第一種方式是單圈采用格雷碼光電或磁碼盤(pán)，多圈采用機(jī)械齒輪。這樣的好處是測(cè)量精度高，斷電后約會(huì)通過(guò)編碼器的機(jī)械位置記住電機(jī)的運(yùn)行位置，上電后直接讀取即可，但缺點(diǎn)是編碼器太厚，在有限的安裝空間下就顯得過(guò)分長(zhǎng)。第二種是單圈信心通過(guò)光電或磁編格雷碼記憶，多圈通過(guò)電池供電電子記憶，這樣就可以把編碼器做得很短，對(duì)外方小于60mm的小伺服電機(jī)非常適合。缺點(diǎn)是電池的使用壽命比較短，長(zhǎng)則2-3年，有的1年就要更換電池。第三種方式是精度要求不高的場(chǎng)合才使用的旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量單圈位置，多圈信息通過(guò)在控制箱里的帶電池電路板完成。

03BEARING

伺服電機(jī)對(duì)軸承的要求

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軸承：

1：精密度高：穩(wěn)定和高精度的電機(jī)軸承尺寸公差可以讓電機(jī)軸承與各部件間完美地配合。2：高轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)靈活。電機(jī)要求所用的電機(jī)軸承有很高的轉(zhuǎn)速，馳創(chuàng)軸承可以滿(mǎn)足要求。3：低噪音 ，馬達(dá)要求所用的電機(jī)軸承噪音足夠小，馳創(chuàng)軸承每一個(gè)電機(jī)軸承都通過(guò)噪音測(cè)試。4：低摩擦，完整的加工工藝及適量的潤(rùn)滑使電機(jī)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中能夠盡可能的減少摩擦及阻力，使電機(jī)軸承能夠無(wú)憂(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)。5：長(zhǎng)壽命：伺服電機(jī)的壽命和軸承密切相關(guān)，由于機(jī)器人對(duì)可靠性和耐用性的要求，軸承要確保至少30000小時(shí)的使用壽命。按照8小時(shí)工作制折算，機(jī)器人的使用壽命至少在10年以上，軸承的轉(zhuǎn)速要確保6000rpm可以持續(xù)工作。

04FAILURE MODE伺服電機(jī)失效模式

失效模式一：安裝不當(dāng)造成前期損傷

不良檢討——不良安裝、軸承受軸向力沖擊

注：伺服電機(jī)安裝過(guò)程禁止使用鐵榔頭敲擊，較大的軸向力會(huì)對(duì)軸承內(nèi)外圈溝道或鋼球表面造成損傷。

注：由于轉(zhuǎn)子軸及定子均存在磁力且中大型伺服電機(jī)磁力較大，安裝過(guò)程安裝人員（新員工不熟練，轉(zhuǎn)子軸直接吸入定子中，存在傾斜、吸力大且不規(guī)則等現(xiàn)象，造成軸承損傷，電機(jī)異響。

失效模式二：電腐蝕失效

所謂電蝕是指電流在循環(huán)轉(zhuǎn)重的軸承滾道輪和滾動(dòng)體的接觸部分流動(dòng)時(shí)、通過(guò)薄薄的潤(rùn)滑油膜發(fā)出火花、其表面出現(xiàn)局部的熔融和凹凸現(xiàn)象。（機(jī)理：內(nèi)外圈之間存在電位差）

失效模式三：運(yùn)輸導(dǎo)致的微動(dòng)磨損失效

微動(dòng)磨損失效特征：對(duì)鋼球與內(nèi)溝道接觸面上的法向變形、切向變形以及滑動(dòng)進(jìn)行理論分析，并對(duì)徑向加載的球軸承進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在擺角較小時(shí)，切向滑動(dòng)為微動(dòng)磨損的主因; 隨著擺角增大，微動(dòng)磨損則主要由重復(fù)的滑動(dòng)引起。切向滑動(dòng)引起的損傷在接觸區(qū)的周?chē)? 滑動(dòng)引起的損傷在接觸區(qū)兩端，接觸面中心受力最大的部分未受損傷，且內(nèi)圈損傷比外圈損傷嚴(yán)重得多?！　?/p>