伺服电机的类型和工作原理

伺服电机是世界范围内广泛应用于工业生产、过程自动化和建筑技术的一种变速驱动器。

虽然伺服电机不是一个特定的类别的电机，他们的目的和设计用于运动控制应用，要求高精度定位，快速换向和卓越的性能。

这些产品广泛应用于机器人、雷达系统、自动化制造系统、机床、计算机、数控机床、跟踪系统等。

什么是伺服电机?

伺服电机是一种线性或旋转驱动器，为闭环位置控制应用提供快速精确的位置控制。不像大型工业电机，伺服电机不用于连续的能量转换。

伺服电机由于惯性小，响应速度快，且直径小，转子长度长。那么伺服电机是如何工作的呢?

伺服电机工作在伺服机构上，利用位置反馈控制电机的速度和最终位置。伺服电机内部由电机、反馈电路、控制器和其他电子电路组成。

它使用编码器或速度传感器提供速度反馈和位置。该反馈信号与输入命令位置(电机与负载对应的期望位置)进行比较，产生误差信号(如果两者之间存在差异)。

错误检测器输出的错误信号不足以驱动电机。因此，误差检测器通过伺服放大器提高误差信号的电压和功率水平，然后将电机轴旋转到所需的位置。

伺服电机的种类

基本上，伺服电机分为交流和直流伺服电机取决于供应的性质用于其操作。有刷永磁直流伺服电机由于其成本、效率和简单性而被用于简单的应用。

它们最适合于较小的应用程序。随着微处理器和功率晶体管的发展，交流伺服电机因其控制精度高而被越来越多地使用。

直流伺服电机

直流伺服电机由小型直流电机、反馈电位器、齿轮箱、电机驱动电子电路和电子反馈控制回路组成。它或多或少类似于普通的直流电机。

电机定子由圆柱框架组成，磁铁附着在框架内部。

转子由电刷和轴组成。换向器和转子金属支撑架连接在轴的外侧，电枢绕组盘绕在转子金属支撑架内。

电刷由电枢线圈构成，为换向器提供电流。在轴的后面，一个探测器内置在转子中，以检测旋转速度。

有了这种结构，使用简单的电路就可以简单地设计控制器，因为转矩与通过电枢的电流成比例。

控制电压的瞬时极性决定了电机产生转矩的方向。直流伺服电机的类型包括串联电机、并联控制电机、分体式串联电机和永磁并联电机。

直流伺服电机的工作原理

直流伺服电机是由直流电机、位置传感装置、齿轮组件和控制电路四大部分组成的组件。下图显示的是RC伺服电机的组成部分，其中采用了小型直流电机，以精确的速度和位置驱动负载。

直流参考电压设置为与所需输出相对应的值。这个电压可以通过使用另一个电位器施加，控制脉冲宽度到电压转换器，或通过定时器取决于控制电路。

电位器上的刻度盘产生相应的电压，然后作为误差放大器的输入之一施加。

在某些电路中，使用控制脉冲产生与电机的期望位置或速度相对应的直流参考电压，并将其施加到电压转换器的脉冲宽度上。

在这种变换器中，当脉冲高时，电容器开始以恒定的速率充电。然后，当脉冲较低时，电容器上的电荷馈送到缓冲放大器，并进一步应用到误差放大器上。

因此，脉冲的长度决定了施加在误差放大器上的电压作为产生所需速度或位置的所需电压。

在数字控制中，采用微处理器或微控制器按占空比产生PWM脉冲，以产生更精确的控制信号。

利用位置传感器获得与负载当前位置相对应的反馈信号。该传感器通常是一个电位器，通过齿轮机构产生与电机轴的绝对角度相对应的电压。然后将反馈电压值施加在误差放大器(比较器)的输入端。

误差放大器是一个负反馈放大器，它减少了其输入之间的差异。它将与电机当前位置相关的电压(由电位器得到)与与电机期望位置相关的期望电压(由脉冲宽度到电压转换器得到)进行比较，产生正电压或负电压的误差。

这个误差电压被施加到电机的电枢上。如果误差较大，则对电机电枢施加较多的输出。

只要存在误差，放大器就会放大误差电压，并相应地给电枢供电。电机旋转，直至误差为零。如果误差是负的，电枢电压反向，因此电枢在相反的方向旋转。

交流伺服电机

交流伺服电机基本上是两相鼠笼式感应电机，用于低功率应用。目前，对三相鼠笼式感应电动机进行了改进，使其可用于大功率伺服系统。

标准分相感应电机与交流电机的主要区别在于伺服电机的鼠笼转子采用了更细的导杆，使电机电阻更高。

根据结构的不同，交流伺服电机有两种不同的类型，它们是同步式交流伺服电机和感应式交流伺服电机。

同步式交流伺服电机由定子和转子组成。定子由圆柱框架和定子铁心组成。电枢线圈绕在定子铁心周围，线圈端与引线连接，通过引线向电机提供电流。

转子由永磁体组成，因此它们不依赖于交流感应式转子，有电流感应到它。由于结构特点，这些电机也被称为无刷伺服电机。

当定子磁场受到激励时，转子以同步速度跟随定子的旋转磁场运动。如果定子磁场停止，转子也停止。有了这种永磁转子，不需要转子电流，因此产生的热量更少。

此外，由于没有转子电流，这些电机具有很高的效率。为了知道转子相对于定子的位置，在转子上放置一个编码器，它作为反馈给电机控制器。

的感应式交流伺服电机R结构与通用电机相同。该电机的定子由定子铁心、电枢绕组和引线组成，转子由轴和转子铁心组成，转子铁心由导体构成，类似于鼠笼式转子。

该伺服电机的工作原理与普通感应电机相似。再次，控制器必须知道转子的准确位置使用编码器的精确速度和位置控制。

交流伺服电机的工作原理

交流两相感应电动机伺服系统原理图如下图所示。在此过程中，将电机轴必须保持在某一位置的参考输入作为机械输入给同步发电机转子θ。这个转子以固定的频率以额定电压连接到电气输入端。

同步发电机的三个定子端子与控制变压器的端子相对应地连接。两相电机的角位置通过轮系布置传递给控制变压器转子，表示控制条件。

最初，同步发电机轴位与控制变压器轴位存在差异。这个误差反映在控制变压器的电压上。该误差电压被施加到伺服放大器上，然后被施加到电机的控制相位上。

在控制电压的作用下，电机转子按要求的方向旋转，直至误差为零。这是如何确保所需的轴位置在交流伺服电机。

另外，现代交流伺服驱动器是嵌入式控制器，如plc，微处理器和微控制器，以实现变频和可变电压，以驱动电机。

通常采用脉宽调制和比例积分微分(PID)技术来控制所需的频率和电压。采用可编程逻辑控制器、位置控制器和伺服控制器的交流伺服电机系统框图如下。

直流和交流伺服电机的区别

直流伺服电机	交流伺服电动机
它提供高功率输出	输出功率低，约0.5 W ~ 100w
它有更多的稳定性问题	它有不太稳定的问题
由于换向器的存在，需要经常维护	由于没有换向器，它需要较少的维护
它提供了高效率	交流伺服电机的效率较低，约为5 ~ 20%
直流伺服电机的寿命取决于电刷的寿命	交流伺服电机的寿命取决于轴承寿命
它的结构中包含了永磁体	同步式交流伺服电机采用永磁体，感应式不需要。
这些电机用于大功率应用	这些电机用于低功率应用