伺服电机分类与工作原理及优缺点.docx

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1、伺服机电分类与工作原理及优缺点“伺服” 一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服机电”可 以理解为绝对服从控制信号指挥的机电：在控制信号发出之前， 转子静止不动；当控制信号发出时，转子即将转动；当控制信号 消失时，转子能即时停转。伺服机电是自动控制装置中被用作执行元件的微特机电， 其功能是将电信号转换成转轴的角位移或者角速度。伺服电 动机 又称执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件，把 所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或者角速度输出。伺服机电分为交流伺服和直流伺服两大类。交流伺服机电的基本构造与交流感应电动机（异步机电）相似。在定子上有两个相空间位移90电角度的励磁绕组Wf和 控制绕组Wc

2、oWf,接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电 压或者相位的变化，达到控制机电运行的目的。交流伺服机电具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度 高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于 10%15%和小于15%25%）等特点。直流伺服机电的优缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单,使用方便，价格便宜。缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)。直流伺服机电基本构造与普通直流电动机相似。机电转速n=E/Klj=(Ua-IaRa)/Klj,式中E为电枢反电动势,K为常数，j为每极磁通，Ua、la为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变

3、Ua或者改变均可控制直流伺服电动机的转速, 但普通采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中, 励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通6恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。交流伺服机电的优缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（合用于无尘、易爆环境）。缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定,需要更多的连线。直流伺服机电分为有刷和无刷机电。有刷机电成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，

4、控制容易， 需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有 要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷机电体积小分量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转 动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵便，可以方波或者 正 弦波换相，机电免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命 长，合用于各种环境。交流伺服机电也是无刷机电，分为同步和异步机电目前运动控制中普通都用同步机电，其功率范围大，功率可 以做到很大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降， 合用于低速平稳运行场合。伺服机电内部的转子是永磁铁，驱动 器控制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

5、机电自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标 值进行比较，从而调整转子转动的角度，伺服机电的精度决定于 编码器的精度（线数）。交流伺服机电和无刷直流伺服机电在性能上有什么区别?交流伺服机电的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制， 转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制。但无刷直流伺服实现 控制比较简单，便宜。永磁交流伺服驱动技术的迅猛发展使直流伺服系统面临被淘 汰的危机/pp=30, 2, left20世纪80年代以来，随着集成电 路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服 驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继不断推出新的 交流伺服机电和伺服驱动器系列产品。交流

6、伺服系统已成为当代 高性能伺服系统的主要发展方向，使直流伺服系统面临被淘汰的 危机。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，运行更可靠，免维护。定子绕组发热大大减少。惯量小，系统快速响应性好。高速大力矩工作状态好。相同功率下体积小分量轻。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电 动机相似。其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁 绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L,联接 控制信号电压Uco所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动 机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现

7、象和快 速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动 惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率 的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转 动惯量，转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子, 杯壁仅0. 2-0. 3mm,空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而 且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内惟独励磁绕组产 生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生 一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况 下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位 相反时，伺服电

8、动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与电容运转式单相异步电动机 虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与 电容运转式异步电动机相比，有两个显著特点：1 .起动转矩大：由于转子电阻大，使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而 且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子即将 转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。2 .运行范围宽：运行平稳、噪音小。/p p=30, 2, left3无自转现象:运转中的伺服电动机，只要失去控制电压，机电即将住手运转。“精密传动微特机电”能够在系统中快速而正确地执行频繁 变化的指令，带动伺服机构完成指令所期望的工作，大多能够满 足以下要求：1 .

9、能频繁启动、住手、制动、反转及低速运行，且机械强度 高、耐热等级高、绝缘等级高。2 .快速相应能力好，转矩较大，转动惯量小，时间常数小。3 .带有驱动器和控制器（如伺服机电、步进机电），控制性能 良好。4 .高可靠性，高精度。精密传动微特机电的类别及其结构和性能对照如下：交流伺服机电（1）笼型两相交流伺服机电（细长笼型转子、机械特性近似线 性、体积和励磁电流小、小功率伺服、低速运转不够平滑）。（2）非磁性杯型转子两相交流伺服机电（空心杯转子、机械特 性近似线性、体积和励磁电流较大、小功率伺服、低速运转平滑）。（3）铁磁杯型转子两相交流伺服机电（铁磁材料杯型转子、机 械特性近似线性、转子转动惯量

10、大、齿槽效应小、运行平稳）。（4）同步型永磁交流伺服机电（由永磁同步机电、测速机及位置检测元件同轴一体机组，定子为3相或者2相，磁性材料转子, 必须配驱动器;调速范围宽、机械特性由恒转矩区和恒功率区组成， 可连续堵转，快速相应性能好，输出功率大，转矩波动小；有方波 驱动和正弦波驱动两种方式，控制性能好，为机电一体化产品)。(5)异步型三相交流伺服机电(转子与笼型异步机电相似，必须配驱动器，采用矢量控制，扩大了恒功率调速范围，多用于机 床主轴调速系统)。直流伺服机电(1)印制绕组直流伺服机电(盘形转子、盘形定子轴向粘接柱 状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩 大)。(2)线绕

11、盘式直流伺服机电(盘形转子、定子轴向粘接柱状磁 钢，转子转动惯量小，控制性能优于其他直流伺服机电，效率高， 输出转矩大)o(3)杯型电枢永磁直流机电(空心杯转子，转子转动惯量小，合用于增量运动伺服系统)。(4)无刷直流伺服机电(定子为多相绕组，转子为永磁式，带 转子位置传感器，无火花干扰，寿命长，噪声低)。力矩机电(1)直流力矩机电(扁平结构，极数槽数换向片数串联导体数 多；输出转矩大，低速或者堵转下可连续工作，机械和调节特性好, 机电时间常数小)。(2)无刷直流力矩机电(与无刷直流伺服机电结构相似，但为 扁平状，极数槽数串联导体数多;输出转矩大，机械和调节特性好, 寿命长，无火花，噪声低）。

12、（3）笼型交流力矩机电（笼型转子，扁平结构，极数槽数多， 启动转矩大，机电时间常数小，可长期堵转运行，机械特性较软）。（4）实心转子交流力矩机电（铁磁材料实心转子，扁平结构， 极数槽数多，可长期堵转，运行平滑，机械特性较软）。步进机电（1）反应式步进机电（定转子均由硅钢片叠成，转子铁心上无 绕组，定子上有控制绕组；步距角小，启动与运行频率较高，步距 角精度较低，无自锁力矩）。（2）永磁步进机电（永磁式转子，径向磁化极性;步距角大，启 动与运行频率低，有保持转矩，消耗功率比反应式小，但须供正、 负脉冲电流）。（3）混合式步进机电（永磁式转子，轴向磁化极性;步距角精度 高，有保持转矩，输入电流小，兼有反应式和永磁式两者的优点）。开关磁阻机电（定转子均由硅钢片叠成，都为凸极式，与极数 相接近的大步距反应式步进机电结构相似，带有转子位置传感器， 转矩方向与电流方向无关，调速范围小，噪声大，机械特性由恒 转矩区、恒功率区、串励特性区三部份组成）。直线机电（结构简 单，导轨等可作为二次导体，合用于直线往复运动；高速伺服性能 好，功率因数和效率高，恒速运行性能优）。