伺服電動機的介紹
伺服電動機（或稱執(zhí)行電動機）是自動控制系統(tǒng)和計算裝置中廣泛應用的一種執(zhí)行元件。其作用為把接受的電信號轉換為電動機轉軸的角位移或角速度。按電流種類的不同，伺服電動機可分為直流和交流兩大類。
一、交流伺服電動機
1、結構和原理交流伺服電動機的定子繞組和單相異步電動機相似，它的定子上裝有兩個在空間相差90°電角度的繞組，即勵磁繞組和控制繞組。運行時勵磁繞組始終加上一定的交流勵磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號變化的控制電壓。轉子的結構形式籠型轉子和空心杯型轉子兩種。
籠型轉子的結構與一般籠型異步電動機的轉子相同，但轉子做的細長，轉子導體用高電阻率的材料做成。其目的是為了減小轉子的轉動慣量，增加啟動轉矩對輸入信號的快速反應和克服自轉現(xiàn)象?？招谋无D子交流伺服電動機的定子分為外定子和內定子兩部分。外定子的結構與籠型交流伺服電動機的定子相同，鐵心槽內放有兩相繞組。
空心杯形轉子由導電的非磁性材料（如鋁）做成薄壁筒形，放在內、外定子之間。杯子底部固定于轉軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2—0.8mm，因而轉動慣量小，動作快且靈敏。交流伺服電動機的工作原理和單相異步電動機相似，LL是有固定電壓勵磁的勵磁繞組，LK是有伺服放大器供電的控制繞組，兩相繞組在空間相差90°電角度。如果IL與Ik的相位差為90°，而兩相繞組的磁動勢幅值又相等，這種狀態(tài)稱為對稱狀態(tài)。與單相異步電動機一樣，這時在氣隙中產(chǎn)生的合成磁場為一旋轉磁場，其轉速稱為同步轉速。旋轉磁場與轉子導體相對切割，在轉子中產(chǎn)生感應電流。轉子電流與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生轉矩，使轉子旋轉。如果改變加在控制繞組上的電流的大小或相位差，就破壞了對稱狀態(tài)，使旋轉磁場減弱，電動機的轉速下降。電機的工作狀態(tài)越不對稱，總電磁轉矩就越小，當除去控制繞組上信號電壓以后，電動機立即停止轉動。這是交流伺服電動機在運行上與普通異步電動機的區(qū)別。
交流伺服電動機有以下三種轉速控制方式：
（1）幅值控制
控制電流與勵磁電流的相位差保持90°不變，改變控制電壓的大小。
（2）相位控制
控制電壓與勵磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。
（3）幅值—相位控制
同時改變控制電壓幅值和相位。交流伺服電動機轉軸的轉向隨控制電壓相位的反相而改變。
2工作特性和用途
伺服電動機的工作特性是以機械特性和調節(jié)特性為表征。在控制電壓一定時，負載增加，轉速下降；它的調節(jié)特性是在負載一定時，控制電壓越高，轉速也越高。伺服電動機有三個顯著特點：
（1）啟動轉矩大
由于轉子導體電阻很大，可使臨界轉差率Ｓｍ＞１，定子一加上控制電壓，轉子立即啟動運轉．
（2）運行范圍寬
在轉差率從０到１的范圍內都能穩(wěn)定運轉．
（3）無自轉現(xiàn)象
控制信號消失后，電動機旋轉不停的現(xiàn)象稱＂自轉＂．自轉現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然要避免．正常運轉的伺服電動機只要失去控制電壓后，伺服電動機就處于單相運行狀態(tài)。由于轉子導體電阻足夠大，使得總電磁轉矩始終是制動性的轉矩，當電動機正轉時失去Ｕｋ（控制電壓），產(chǎn)生的轉矩為負（０＜Ｓ＜１）。而反轉時失去UK，產(chǎn)生的轉矩為正（1〈S〈2時〉，不會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象，可以自行制動，迅速停止運轉，這也是交流伺服電動機與異步電動機的重要區(qū)別。
不同類型的交流伺服電動機具有不同的特點?；\型轉子交流伺服電動機具有勵磁電流較小、體積較小、機械強度高等特點；但是低速運行不夠平穩(wěn)，有抖動現(xiàn)象?？招谋无D子交流伺服電動機具有結構簡單、維護方便、轉動慣量小、運行平滑、噪聲小、沒有無線電干擾、無抖動現(xiàn)象等優(yōu)點；但是勵磁電流較大，體積也較大，轉子易變形，性能上不及直流伺服電動機。交流伺服電動機適用于0.1—100W小功率自動控制系統(tǒng)中，頻率有50Hz、400Hz等多種。鼠籠型轉子交流伺服電動機產(chǎn)品為SL系列?？招谋无D子交流伺服電動機為SK系列，用于要求運行平滑的系統(tǒng)中。
二、直流伺服電動機
直流伺服電動機的基本結構與普通他勵直流電動機一樣，所不同的是直流伺服電動機的電樞電流很小，換向并不困難，因此都不用裝換向磁極，并且轉子做得細長，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。按勵磁方式不同，可分為電磁式和永磁式兩種，電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生，一般用他勵式；永磁式直流伺服電動機的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，無需勵磁繞組和勵磁電流，可減小體積和損耗。為了適應各種不同系統(tǒng)的需要，從結構上作了許多改進，又發(fā)展了低慣量的無槽電樞、空心杯形電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動機等品種。電磁式直流伺服電動機的工作原理和他勵式直流電動機同，因此電磁式直流伺服電動機有兩種控制轉速方式：電樞控制和磁場控制。對永磁式直流伺服電動機來說，當然只有電樞控制調速一種方式。由于磁場控制調速方式的性能不如電樞控制調速方式，故直流伺服電動機一般都采用電樞控制調速。直流伺服電動機轉軸的轉向隨控制電壓的極性改變而改變。直流伺服電動機的機械特性與他勵直流電動機相似，即n=n0-αT。當勵磁不變時，對不同電壓Ua有一組下降的平行直線。直流伺服電動機適用于功率稍大（1—600W）的自動控制系統(tǒng)中。與交流伺服電動機相比，它的調速線性好，體積小，質量輕，啟動轉矩大，輸出功率大。但它的結構復雜，特別是低速穩(wěn)定性差，有火花會引起無線電干擾。近年來，發(fā)展了低慣量的無槽電樞電動機、空心杯形電樞電動機、印制繞組電樞電動機和無刷直流伺服電動機，來提高快速響應能力，適應自動控制系統(tǒng)的發(fā)展需要，如電視攝像機、錄音機、X—Y函數(shù)記錄
20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：
⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。
⑵定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)。
⑸同功率下有較小的體積和重量。
自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統(tǒng)，這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行，分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。
到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器，其中D系列適用于數(shù)控機床（最高轉速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機器人（最高轉速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六個系列。20世紀90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅動、8051單片機控制改為正弦波驅動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24％降低到7％，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需要。
以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世紀80年代中期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機。L系列有較小的轉動慣量和機械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應的位置伺服系統(tǒng)。
日本其他廠商，例如：三菱電動機（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機（S系列）等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。
德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。
德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標準型和短型兩大類，共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶體管脈寬調制驅動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。
德國寶石（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機和ServodynSM系列的驅動控制器。
美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould電子公司一個分部（MotionControlDivision），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600系列的伺服驅動器。后合并到AEG，恢復了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。
美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。
I.D.（IndustrialDrives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。自1989年起推出了全新系列設計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和SmartDrive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。
愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。
法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）
交流伺服電動機共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅動器。
原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機座號17個規(guī)格，力矩范圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。
韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。
現(xiàn)在常采用摴β時浠蕯（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉子轉動慣量之比。
按功率變化率進行計算分析可知，永磁交流伺服電動機技術指標以美國I.D的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。
