一、伺服電機(servomotor)的由來和定義

伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。

伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

由于它的“伺服”性能，因此它就被命名為伺服電機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉為軸上輸出的角位移和角速度驅動控制對象。

伺服電機一般分為兩大類：直流伺服電機、交流伺服電機。

二、交流伺服電動機

1、交流伺服電機的結構

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的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反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。

交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似。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(lián)接控制信號電壓Uc。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范圍、線性的機械特性，無“自轉”現(xiàn)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：一種是采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;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子?？招谋无D子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

2、交流伺服電動機的工作原理

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，在負載恒定的情況下，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。

3、伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點：

(1)、起動轉矩大

由于轉子電阻大，與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉差率,這樣不僅使轉矩特性(機械特性)更接近于線性，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)、運行范圍較廣

(3)、無自轉現(xiàn)象

正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性以及合成轉矩特性.

交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V;當電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

直流伺服電機，它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器，所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成 。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm 。

直流伺服電機特指直流有刷伺服電機——電機成本高結構復雜，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便(換碳刷)，會產生電磁干擾，對環(huán)境有要求 。因此它不可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合 。

直流伺服電機還包括直流無刷伺服電機——電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定，電機功率有局限做不大 。容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相 。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境 。

直流伺服系統(tǒng)的結構及其原理

1、位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)

(1)旋轉變壓器：是一種輸出電壓隨轉角變化的角位移測量裝置 。

(2)相敏放大器：將交流電壓轉換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應 。

(3)位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)

2、脈寬調制型(PWM)功率放大

基本原理：利用大功率電器的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，通過對方脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值 。

(1)PWM變換器

(2)雙極型PWM變換器

根據(jù)圖很容易導出雙極式可逆PWM變換器電樞兩端平均電壓的表達式

雙極式PWM變換器特點：

優(yōu)點：

①電流連續(xù);

②可使電動機在四個象限中運行;

③電動機停止時，有微振電流，能消除摩擦死區(qū);

④低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有個晶體管的可靠導通;

⑤低速時平穩(wěn)性好，調速范圍寬 。

缺點：

在工作過程中，四個功率晶體管都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，且容易發(fā)生上、下兩管直通的事故 。為了防止上、下兩管同時導通，在一管關斷和另一管導通的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時 。

直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，導致系統(tǒng)產生穩(wěn)態(tài)誤差的因素有以下幾個方面：由檢測元件引起的檢測誤差;由系統(tǒng)的結構和輸入信號引起的原理誤差;負載擾動引起的擾動誤差 。

1.檢測誤差

2.原理誤差

3.擾動誤差

直流伺服系統(tǒng)的動態(tài)校正

方法：

1、速度調節(jié)器的設計 。

2、位置調節(jié)器的設計 。

直流伺服系統(tǒng)的組成及其控制直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器開環(huán)控制方式，控制器半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制系統(tǒng) 。

直流伺服系統(tǒng)控制面板結構如下，面板右側為與直流伺服電機接口板的接口，包括電機驅動接口和編碼器接口;左側為與運動控制器面板的接口，包括位置控制模式接口和速度控制模式接口 。

M+，M-信號為直流無刷伺服電機的電源線，用于驅動電機的運動 。

A+，A-，B+，B-，C+，C-，5+，0V信號為編碼器信號，用于反饋電機軸的實際位置 。

A，/A，B，/B，C，/C，+5V，PUL+，DIR+，OGND，OVCC，GND，DAC，RESET，ALM，ENABLE為與控制器相連的控制信號 。

其含義為：

A，/A，B，/B，C，/C為驅動器反饋給運動器控制器的編碼器信號 。

+5V為電源 。

PUL+，PUL-為脈沖信號，用于位置模式下的電機控制 。

DIR+，DIR-為方向信號，用于位置模式下的電機控制 。

OGND，OVCC，GND分別為模擬地，模擬電源和數(shù)字地 。

DAC為驅動器接受的模擬控制信號，范圍一般為-10V-10V 。

RESET，ALM，ENABLE為控制信號，分別表示驅動器的復位，報警以及使能功能 。

直流伺服驅動器通常具有速度控制模式和位置控制模式 。

采用位置模式時，輸入控制信號為脈沖和方向(或是正負脈沖)，采用速度模式時，輸入控制信號為模擬量 。驅動器將輸入信號轉化為速度控制信號，經過速度控制器轉化為電流控制信號，電流信號通過PWM回路作用于功率擴大模塊的輸出模塊，最后施加給電機 。

直流伺服驅動器采用IDM智能伺服驅動器

IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全數(shù)字化的伺服驅動器，可驅動方波或正弦波無刷伺服電機(PMSM)，直流有伺服電機，通過CAN或RS-485接口可組成多達256個軸的分布式智能網(wǎng)絡運動系統(tǒng)，嵌入的高級可編程運動語言(TML)提供各種高級運動控制和plc專用功能 。

主要特點如下 ：

分布式智能，單軸主控運行或從動軸模式

控制模式：位置，速度，轉矩，電壓，外部變量

運動模式：脈沖+方向，電子齒輪，Profiling，Contouring

可編程保護：位置誤差，過流，過壓或欠壓，I2t，

DSP控制技術：基于MoTIonChipTM 技術

RS232/485串行接口，波特率可達115KB

CAN2.0局域總線，兼容CANopen，波特率可達1MHz

輸出電流：連續(xù)電流5A/8A，峰值電流16A，

電源電壓：12-48VDC(IDM240) ，12-48VDC(邏輯電源)/80V(電機)(IDM640)

緊湊結構設計：136 x 84.5 x 26 mm

控制軟件采用Easy MoTIon Studio，控制軟件特點如下：

高級圖形化評估分析編程工具EasyMoTIon Studio平臺快速設置電機、驅動器參數(shù)及編程運動程序，TML_LIB函數(shù)庫是智能化伺服驅動器在 PC上執(zhí)行運動控制應用的一個函數(shù)庫，在C/C++、Basic、Delphi、Labview開發(fā)的應用程序中調用庫中的.DLL文件執(zhí)行后，能直接與驅動器通信、設置參數(shù)、查詢狀態(tài)、傳送命令、定義運動事件，測試輸入輸出口狀態(tài)等 。

直流調速器就是調節(jié)直流電動機速度的設備, 由于直流電動機具有低轉速大力矩的特點,是交流電動機無 法取代的, 因此調節(jié)直流電動機速度的設備—直流調速器,具有廣闊的應用天地。

直流調速器的工作原理：

直流調速器就是調節(jié)直流電動機速度的設備，上端和交流電源連接，下端和直流電動機連接。直流調速器將交流電轉化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機礪磁(定子)，一路輸入給直流電機電樞(轉子)，直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節(jié)直流電動機轉速。

同時直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節(jié)電機的轉速。