伺服电动机的驱动原理与应用

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：伺服电动机都带有这种反馈控制的机制。伺服电动机是将输入的电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象。交流伺服电动机也是无刷电动机，可分为同步和异步电动机。

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解：伺服电动机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为，伺服电动机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电动机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电动机接收的脉冲就形成了呼应，或者叫闭环。这样系统就会知道发出多少脉冲给伺服电动机，同时又接收了多少脉冲，于是能够十分精确地控制电动机的转动，从而实现准确的定位。

1.伺服电动机的工作原理

伺服电动机是由电动机和电气控制元件组成的系统，又分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。带有反馈传感器，适用于中、轻负载连续旋转的位移、速度等精密控制。从伺服电动机控制示意图（图6-66）来看，伺服电动机可以接受外部给定的转速和转角信号，转化为电压或电流，从而控制电动机的转速或转角；伺服电动机内部的传感器实时测量电动机实际输出的转速和转角，由比较器对给定值与实际值进行比较，差值信号放大后进行反馈控制。可以感知电动机转速和转角的传感器主要有电位器，光电编码器，电磁感应元件（如直流测速发电机、霍尔元件）等。以转速控制为例，测速发电机可以为传感器，测速发电机输出的电压正比于电动机的实际转速，比较器将测速发电机输出电压与速度给定量进行比较，若电动机的实测转速低于给定转速，则正的差值使放大器输出电压升高，使得电动机立即加速；反之若实测转速高于给定转速，则负的差值使放大器输出电压降低，使得电动机立即减速。伺服电动机都带有这种反馈控制的机制。

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图6-66　伺服电动机控制示意图

2.伺服电动机的结构

伺服电动机实物图如图6-67所示，伺服电动机结构示意图如图6-68所示。伺服电动机是将输入的电压信号（控制电压）转换为转矩和转速以驱动控制对象。其转子的转速受输入信号的控制，并能快速反应，在自动控制系统中通常用作执行元件，具有机电时间常数小、线性度高等优点。

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图6-67　伺服电动机实物图

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图6-68　伺服电动机结构示意图

伺服电动机内部的转子采用永磁铁制成，驱动器控制的U／V／W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机的精度取决于编码器的精度（线数）。

3.伺服电动机的分类和特点

直流伺服电动机可分为有刷伺服电动机和无刷伺服电动机。有刷伺服电动机的结构简单、成本低廉、启动转矩大、调速范围宽、控制容易、维护方便（换碳刷），但工作时容易产生电磁干扰，对环境也有一定的要求。因此它比较适合用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷伺服电动机体积小、质量小、出力大、响应快、速度高、惯量小、寿命长、转动平滑、力矩稳定，容易实现智能化，其电子换相方式十分灵活，可以实现方波换相或正弦波换相，电动机免维护、效率高、运行温度低、电磁辐射小，适用于各种环境。其不足之处是控制稍微复杂。交流伺服电动机也是无刷电动机，可分为同步和异步电动机。目前一般应用场合都采用同步电动机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。由于该类型电动机运动惯量大、最高转速低，且随着功率增大而快速降低，因而适合在要求低速下稳运行的场合应用。

4.伺服电动机的选型

（1）明确负载机构的运动条件要求，即加／减速的快慢、运动速度、机构的质量、机构的运动方式等。

（2）依据运行条件要求选用合适的负载惯量计算公式，计算出机构的负载惯量。

（3）依据负载惯量与电动机惯量选出适当的假选定电动机规格。

（4）结合初选的电动机惯量与负载惯量，计算出加速转矩及减速转矩。

（5）依据负载质量、配置方式、摩擦系数、运行效率计算出负载转矩。

（6）初选电动机的最大输出转矩必须大于加速转矩加负载转矩；如果不符合条件，必须选用其他型号计算验证直至符合要求。

（7）依据负载转矩、加速转矩、减速转矩及保持转矩，计算出连续瞬时转矩。

（8）初选电动机的额定转矩必须大于连续瞬时转矩，如果不符合条件，必须选用其他型号计算验证直至符合要求。

（9）完成选定。

最后需要确定一些细枝末节的东西，如电动机的输出轴要不要键、带不带刹车、防护等级、编码系统等。