伺服電機的工作原理

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

　　伺服電動機的控制原理圖

伺服電機用字母m表示，是驅(qū)動系統(tǒng)的動力源。運算放大器：由電路名稱表示，即LM675，是伺服控制電路中的放大器件，為伺服電機提供驅(qū)動電流。

速度指令電位器RP1:設(shè)置電路中運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。當(dāng)電機負(fù)載變化時，反饋到運算放大器反相輸入端的電壓也會變化，即電

當(dāng)電機負(fù)載較重時，轉(zhuǎn)速會降低，測速信號發(fā)生器的輸出電壓也會降低，從而使運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，運算放大器的輸出電壓增大。相反，當(dāng)負(fù)載降低，電機轉(zhuǎn)速升高時，測速信號發(fā)生器的輸出電壓升高，施加到運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，運算放大器的輸出電壓降低，會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，從而使轉(zhuǎn)速自動穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　伺服電機優(yōu)點

1.精度：實現(xiàn)位置、速度、扭矩閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；

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

3.適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍額定扭矩負(fù)荷，特別適用于瞬時負(fù)荷波動和快速啟動要求的場合；

4.穩(wěn)定：低速運行穩(wěn)定，低速運行時不會出現(xiàn)類似步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；

5.時效性：電機加減速動態(tài)對應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒以內(nèi)；

6.舒適度：發(fā)熱和噪音明顯降低。

　　伺服電機的選型步驟

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

因此，不僅機構(gòu)的重量會影響伺服電機的選擇，而且運動條件也會改變伺服電機的選擇。慣性越大，加減速轉(zhuǎn)矩越大，加減速時間越短，伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩越大。選擇伺服電機規(guī)格時，請遵循以下步驟。

(1)定義加載機構(gòu)的運動條件，即加減速速度、運動速度、機構(gòu)重量、機構(gòu)運動方式等。

(2)根據(jù)工況要求，選擇

(6)主伺服電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如果不符合要求，必須選擇其他型號進行計算驗證，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算連續(xù)瞬時扭矩。

(8)主伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩必須大于連續(xù)瞬時轉(zhuǎn)矩。比如不滿足要求，必須選擇其他模型進行計算驗證，直到滿足要求。

　　（9）完成選定。

　　最簡單伺服電機選型計算方式

　　伺服電機選擇的時候，首先一個要考慮的就是功率的選擇。一般應(yīng)注意以下兩點：

　　1、如果電機功率選得過小。就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機長期過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機被燒毀。

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

　　也就是說，電機功率既不能太大，也不能太小，要正確選擇電機的功率，必須經(jīng)過以下計算或比較：

　　P=：F*V/100

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

　　此外。最常用的是采用類比法來選擇電機的功率。所謂類比法，就是與類似生產(chǎn)機械所用電機的功率進行對比。

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

　　驗證的方法是：使電機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電機的工作電流，將測得的電流與該電機銘牌上標(biāo)出的額定電流進行對比。

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

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

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

　　實際上應(yīng)該是考慮扭矩（轉(zhuǎn)矩），電機功率和轉(zhuǎn)矩計算公式。

　　即T=9550P/n

　　式中：

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

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

　　機械功率公式：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。

　　伺服電機選型的注意事項

　　1、有些系統(tǒng)如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機能盡快停車，而在故障、急停、電源斷電時伺服器沒有再生制動，無法對電機減速。同時系統(tǒng)的機械慣量又較大，這時對動態(tài)制動器的要依據(jù)負(fù)載的輕重、電機的工作速度等進行選擇。

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

　　3、有的伺服驅(qū)動器有內(nèi)置的再生制動單元，但當(dāng)再生制動較頻繁時，可能引起直流母線電壓過高，這時需另配再生制動電阻。再生制動電阻是否需要另配，配多大，可參照相應(yīng)樣本的使用說明來配。

　　4、如果選擇了帶電磁制動器的伺服電機，電機的轉(zhuǎn)動慣量會增大，計算轉(zhuǎn)矩時要進行考慮。