浅谈伺服电机

伺服电动机
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
一、交流伺服电动机
1、结构和原理
交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。
交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。电机的工作状态越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机立即停止转动。这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别。
         
交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：
（1）幅值控制   控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。
（2） 相位控制  控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。
（3）幅值—相位控制  同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
2 工作特性和用途
伺服电动机的工作特性是以机械特性和调节特性为表征。在控制电压一定时，负载增加，转速下降；它的调节特性是在负载一定时，控制电压越高，转速也越高。伺服电动机有三个显著特点：
（1）启动转矩大　由于转子导体电阻很大，可使临界转差率Ｓｍ＞１，定子一加上控制电压，转子立即启动运转．
（２）运行范围宽　在转差率从０到１的范围内都能稳定运转．
（３）无自转现象　控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称＂自转＂．自转现象破坏了伺服性，显然要避免．
正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后，伺服电动机就处于单相运行状态。由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩始终是制动性的转矩，当电动机正转时失去Ｕｋ（控制电压），产生的转矩为负（０＜Ｓ＜１）。而反转时失去UK，产生的转矩为正（1〈S〈2时〉，不会产生自转现象，可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。              

不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳，有抖动现象。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但是励磁电流较大，体积也较大，转子易变形，性能上不及直流伺服电动机。
交流伺服电动机适用于0.1—100W小功率自动控制系统中，频率有50Hz、400Hz等多种。笼型转子交流伺服电动机产品为SL系列。空心杯形转子交流伺服电动机为SK系列，用于要求运行平滑的系统中。
二、直流伺服电动机
直流伺服电动机的基本结构与普通他励直流电动机一样，所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极，并且转子做得细长，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种，电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生，一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。为了适应各种不同系统的需要，从结构上作了许多改进，又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。
电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同，因此电磁式直流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控制和磁场控制。对永磁式直流伺服电动机来说，当然只有电枢控制调速一种方式。由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式，故直流伺服电动机一般都采用电枢控制调速。直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变。
直流伺服电动机的机械特性与他励直流电动机相似，即n=n0-αT。当励磁不变时，对不同电压Ua有一组下降的平行直线。
直流伺服电动机适用于功率稍大（1—600W）的自动控制系统中。与交流伺服电动机相比，它的调速线性好，体积小，质量轻，启动转矩大，输出功率大。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干扰。近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电动机，来提高快速响应能力，适应自动控制系统的发展需要，如电视摄象机、录音机、X—Y函数记录仪及机床控制系统等。

直线电动机
直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。它可以省去大量中间传动机构，加快系统反映速度，提高系统精确度，所以得到广泛的应用。直线电动机的种类按结构形式可分为；单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等；按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等。下面仅对结构简单，使用方便，运行可靠的直线异步电动机做简要介绍。
直线异步电动机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。直线异步电动机的动子有三种形式：
(1)磁性动子 动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。
(2)非磁性动子 ，动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。
(3)动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。
因磁性动子的直线异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件，其应用前景广阔。
直线异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线异步电动机作往复直线运动。
直线异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，如门自动开闭装置，起吊、传递和升降的机械设备，驱动车辆，尤其是用于高速和超速运输等。由于牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦，无噪声，无转子发热，不受离心力影响等问题。因此，其应用将越来越广。直线同步电动机由于性能优越，应用场合与直线异步电动机相同，有取代趋势。直线步进电动机应用于数控绘图仪、记录仪、数控制图机、数控裁剪机、磁盘存储器、精密定位机构等设备中。

关于步进电动机失步请看http://www.gkong.com/gkong_bbs/dispbbs.asp?ID=28255

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用下列方法来克服：

1.如果步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；
2.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；
3.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；
4.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，成本较高；
5.在电机轴上加磁性阻尼器，机械结构改变较大,比较麻烦。