伺服電機

電機，俗稱“馬達(dá)”,是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。
      電機家族龐大，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)劃分，每種名目下又可以分成很多種。今天，我們先來了解其中的一款，小型機器人制作經(jīng)常使用到的伺服電機。
      伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。
      伺服電機可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

      工作原理

1、伺服系統(tǒng)（servo mechanism）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(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)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(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，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(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，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(hù)，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。

交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。

交流伺服電動機

選型比較

交流伺服電動機

交流伺服電動機定子的構(gòu)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。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

永磁交流伺服電動機
  20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)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(qū)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(dāng)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(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

奧松機器人AX-12+伺服電機

調(diào)試方法

1、初始化參數(shù)

在接線之前，先初始化參數(shù)。

在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時默認(rèn)使能信號關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確保控制卡再次上電時即為此狀態(tài)。
在伺服電機上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)9V的控制電壓。比如，山洋是設(shè)置1V電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準(zhǔn)備讓電機在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個參數(shù)設(shè)置為111。

2、接線

將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復(fù)查接線沒有錯誤后，電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應(yīng)該不動，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動，如果不是這樣，檢查使能信號的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線和設(shè)置

3、試方向

對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應(yīng)該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù)，看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認(rèn)給出正數(shù)，電機正轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)增加；給出負(fù)數(shù)，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負(fù)載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數(shù)，使其一致。

4、抑制零漂

在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細(xì)調(diào)整，使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。

5、建立閉環(huán)控制

再次通過控制卡將伺服使能信號放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時，電機應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。

6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)

細(xì)調(diào)控制參數(shù)，確保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。

360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機

制動方式

用戶往往對電磁制動，再生制動，動態(tài)制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。

動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進(jìn)給距離。

再生制動是指伺服電機在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。

電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。

三者的區(qū)別：

(1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機。動態(tài)制動器和電磁制動工作時不需電源。

(2)再生制動的工作是系統(tǒng)自動進(jìn)行，而動態(tài)制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。

(3)電磁制動一般在SV、OFF后啟動，否則可能造成放大器過載，動態(tài)制動器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態(tài)制動電阻過熱。

注意事項

一、伺服電機油和水的保護(hù)

A：伺服電機可以用在會受水或油滴侵襲的場所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服電機不應(yīng)當(dāng)放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。

B：如果伺服電機連接到一個減速齒輪，使用伺服電機時應(yīng)當(dāng)加油封，以防止減速齒輪的油進(jìn)入伺服電機

C：伺服電機的電纜不要浸沒在油或水中。

二、伺服電機電纜→減輕應(yīng)力

A：確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷，尤其是在電纜出口處或連接處。

B：在伺服電機移動的情況下，應(yīng)把電纜（就是隨電機配置的那根）牢固地固定到一個靜止的部分（相對電機），并且應(yīng)當(dāng)用一個裝在電纜支座里的附加電纜來延長它，這樣彎曲應(yīng)力可以減到最小。

C：電纜的彎頭半徑做到盡可能大。

三、伺服電機允許的軸端負(fù)載

A：確保在安裝和運轉(zhuǎn)時加到伺服電機軸上的徑向和軸向負(fù)載控制在每種型號的規(guī)定值以內(nèi)。

B：在安裝一個剛性聯(lián)軸器時要格外小心，特別是過度的彎曲負(fù)載可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損

C：最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負(fù)載低于允許值，此物是專為高機械強度的伺服電機設(shè)計的。

D：關(guān)于允許軸負(fù)載，請參閱“允許的軸負(fù)荷表”（使用說明書）。

四、伺服電機安裝注意

A：在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機軸端時，不要用錘子直接敲打軸端。（錘子直接敲打軸端，伺服電機軸另一端的編碼器要被敲壞）

B：竭力使軸端對齊到最佳狀態(tài)（對不好可能導(dǎo)致振動或軸承損壞）。

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(hù)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(yīng)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。

主要作用

伺服電機在封閉的環(huán)里面使用。就是說它隨時把信號傳給系統(tǒng)，同時把系統(tǒng)給出的信號來修正自己的運轉(zhuǎn)。

伺服電機也可用單片機控制。

優(yōu)點

首先我們來看一下伺服電機和其他電機（如步進(jìn)電機）相比到底有什么優(yōu)點：

1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機失步的問題；

2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；

3、適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機的步進(jìn)運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；

5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；

6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。

簡單點說就是：平常看到的那種普通的電機，斷電后它還會因為自身的慣性再轉(zhuǎn)一會兒，然后停下。而伺服電機和步進(jìn)電機是說停就停，說走就走，反應(yīng)極快。但步進(jìn)電機存在失步現(xiàn)象。

伺服電機的應(yīng)用領(lǐng)域就太多了。只要是要有動力源的，而且對精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機。如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。

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