伺服電機(jī)的工作原理

下圖為用功率運(yùn)算放大器LM675制作的伺服電機(jī)控制電路，電機(jī)采用DC伺服電機(jī)。從圖中可以看出，功率運(yùn)算放大器LM675由15V供電，15V通過(guò)RP1施加到運(yùn)算放大器LM675的非反相輸入端，LM675的輸出電壓施加到伺服電機(jī)的輸入端。電機(jī)配有測(cè)速信號(hào)發(fā)生器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。測(cè)速信號(hào)發(fā)生器其實(shí)是一種發(fā)電機(jī)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)速信號(hào)發(fā)生器g輸出的電壓經(jīng)過(guò)分壓電路后作為速度誤差信號(hào)反饋給運(yùn)算放大器的反相輸入端。速度指令電位計(jì)RP1設(shè)定的電壓值除以R1。R2，然后施加到運(yùn)算放大器的非反相輸入端，這相當(dāng)于參考電壓。

　　伺服電動(dòng)機(jī)的控制原理圖

伺服電機(jī)用字母m表示，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源。運(yùn)算放大器：由電路名稱表示，即LM675，是伺服控制電路中的放大器件，為伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流。

速度指令電位器RP1:設(shè)置電路中運(yùn)算放大器的參考電壓，即速度設(shè)置。放大器增益調(diào)節(jié)電位器RP2:用于電路中微調(diào)放大器的增益和速度反饋信號(hào)。當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，反饋到運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓也會(huì)變化，即電

當(dāng)電機(jī)負(fù)載較重時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)降低，測(cè)速信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓也會(huì)降低，從而使運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓降低，電壓與參考電壓的差值增大，運(yùn)算放大器的輸出電壓增大。相反，當(dāng)負(fù)載降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，測(cè)速信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓升高，施加到運(yùn)算放大器反相輸入端的反饋電壓增加，電壓與參考電壓之差減小，運(yùn)算放大器的輸出電壓降低，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，從而使轉(zhuǎn)速自動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1.精度：實(shí)現(xiàn)位置、速度、扭矩閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；

2.轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速可達(dá)2000 ~ 3000轉(zhuǎn)/分；

3.適應(yīng)性：抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍額定扭矩負(fù)荷，特別適用于瞬時(shí)負(fù)荷波動(dòng)和快速啟動(dòng)要求的場(chǎng)合；

4.穩(wěn)定：低速運(yùn)行穩(wěn)定，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)類似步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；

5.時(shí)效性：電機(jī)加減速動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒以內(nèi)；

6.舒適度：發(fā)熱和噪音明顯降低。

　　伺服電機(jī)的選型步驟

每種類型的伺服電機(jī)的規(guī)格中都有額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、伺服電機(jī)的慣性等參數(shù)。每個(gè)參數(shù)與負(fù)載扭矩和負(fù)載慣性之間必須有相關(guān)性。伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足負(fù)載機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)條件的要求，如機(jī)構(gòu)的加速度和重量。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式(水平和垂直旋轉(zhuǎn))等。運(yùn)動(dòng)條件與伺服電機(jī)輸出功率沒(méi)有直接關(guān)系，但一般來(lái)說(shuō)，伺服電機(jī)輸出功率越高，相對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩越高。

因此，不僅機(jī)構(gòu)的重量會(huì)影響伺服電機(jī)的選擇，而且運(yùn)動(dòng)條件也會(huì)改變伺服電機(jī)的選擇。慣性越大，加減速轉(zhuǎn)矩越大，加減速時(shí)間越短，伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越大。選擇伺服電機(jī)規(guī)格時(shí)，請(qǐng)遵循以下步驟。

(1)定義加載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件，即加減速速度、運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)構(gòu)重量、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式等。

(2)根據(jù)工況要求，選擇

(6)主伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如果不符合要求，必須選擇其他型號(hào)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，直到符合要求。

(7)根據(jù)負(fù)載扭矩、加速扭矩、減速扭矩和保持扭矩計(jì)算連續(xù)瞬時(shí)扭矩。

(8)主伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于連續(xù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。比如不滿足要求，必須選擇其他模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，直到滿足要求。

　　（9）完成選定。

　　最簡(jiǎn)單伺服電機(jī)選型計(jì)算方式

　　伺服電機(jī)選擇的時(shí)候，首先一個(gè)要考慮的就是功率的選擇。一般應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

　　1、如果電機(jī)功率選得過(guò)小。就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機(jī)被燒毀。

　　2、如果電機(jī)功率選得過(guò)大。就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車“現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利。而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。

　　也就是說(shuō)，電機(jī)功率既不能太大，也不能太小，要正確選擇電機(jī)的功率，必須經(jīng)過(guò)以下計(jì)算或比較：

　　P=：F*V/100

　　（其中P是計(jì)算功率，單位是KW，F(xiàn)是所需拉力，單位是N，V是工作機(jī)線速度m/s）

　　此外。最常用的是采用類比法來(lái)選擇電機(jī)的功率。所謂類比法，就是與類似生產(chǎn)機(jī)械所用電機(jī)的功率進(jìn)行對(duì)比。

　　具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產(chǎn)機(jī)械使用多大功率的電機(jī)，然后選用相近功率的電機(jī)進(jìn)行試車。試車的目的是驗(yàn)證所選電機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械是否匹配。

　　驗(yàn)證的方法是：使電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)的工作電流，將測(cè)得的電流與該電機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對(duì)比。

　　如果電功機(jī)的實(shí)際工作電流與銘脾上標(biāo)出的額定電流上下相差不大，則表明所選電機(jī)的功率合適。

　　如果電機(jī)的實(shí)際工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流低70%左右。則表明電機(jī)的功率選得過(guò)大，應(yīng)調(diào)換功率較小的電機(jī)。

　　如果測(cè)得的電機(jī)工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流大40%以上。則表明電機(jī)的功率選得過(guò)小，應(yīng)調(diào)換功率較大的電機(jī)。

　　實(shí)際上應(yīng)該是考慮扭矩（轉(zhuǎn)矩），電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式。

　　即T=9550P/n

　　式中：

　　P一功率，kW;n一電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min;T一轉(zhuǎn)矩，Nm。

　　電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一定要大于工作機(jī)械所需要的轉(zhuǎn)矩，一般需要一個(gè)安全系數(shù)。

　　機(jī)械功率公式：P=T*N/97500

　　P：功率單位W;T：轉(zhuǎn)矩，單位克/cm;N：轉(zhuǎn)速，單位r/min。

　　伺服電機(jī)選型的注意事項(xiàng)

　　1、有些系統(tǒng)如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機(jī)能盡快停車，而在故障、急停、電源斷電時(shí)伺服器沒(méi)有再生制動(dòng)，無(wú)法對(duì)電機(jī)減速。同時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械慣量又較大，這時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)制動(dòng)器的要依據(jù)負(fù)載的輕重、電機(jī)的工作速度等進(jìn)行選擇。

　　2、有些系統(tǒng)要維持機(jī)械裝置的靜止位置，需電機(jī)提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩，且停止的時(shí)間較長(zhǎng)。如果使用伺服的自鎖功能，往往會(huì)造成電機(jī)過(guò)熱或放大器過(guò)載，這種情況就要選擇帶電磁制動(dòng)的電機(jī)。

　　3、有的伺服驅(qū)動(dòng)器有內(nèi)置的再生制動(dòng)單元，但當(dāng)再生制動(dòng)較頻繁時(shí)，可能引起直流母線電壓過(guò)高，這時(shí)需另配再生制動(dòng)電阻。再生制動(dòng)電阻是否需要另配，配多大，可參照相應(yīng)樣本的使用說(shuō)明來(lái)配。

　　4、如果選擇了帶電磁制動(dòng)器的伺服電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)增大，計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)要進(jìn)行考慮。