電機(jī)動(dòng)作的原理

　　右手螺旋法則（安培定則）——通電生磁

　　安培定則，也叫右手螺旋定則，是表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；通電螺線管中的安培定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

　　弗來(lái)明左手法則——磁生力

　　確定載流導(dǎo)線在外磁場(chǎng)中受力方向的定則。又稱電動(dòng)機(jī)定則。左手平展，大拇指與其余4指垂直，手心沖著N級(jí)，4指為電流方向，大拇指為載流導(dǎo)線在外磁場(chǎng)中受力方向。

　　DC伺服馬達(dá)結(jié)構(gòu)

　　伺服控制單元

　　SERVO 語(yǔ)源自拉丁語(yǔ)，原意為“奴隸”的意思，指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是把上位控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

　　1.控制器：動(dòng)作指令信號(hào)的輸出裝置。

　　2.驅(qū)動(dòng)器：接收控制指令，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的裝置。

　　3.伺服馬達(dá)：驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象、并檢出狀態(tài)的裝置。

　　伺服馬達(dá)的種類

　　伺服馬達(dá)的種類，大致可分成以下三種：

　　1.同步型：采用永磁式同步馬達(dá)，停電時(shí)發(fā)電效應(yīng)，因此剎車容易， 但因制程材料上的問(wèn)題，馬達(dá)容量受限制�！不剞D(zhuǎn)子：永久磁鐵；固定子：線圈〕

　　2.感應(yīng)型：感應(yīng)形馬達(dá)與泛用馬達(dá)構(gòu)造相似，構(gòu)造堅(jiān)固、高速時(shí)轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)良好，但馬達(dá)較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上)大多為此形式�；剞D(zhuǎn)子、固定子皆為線圈〕

　　3.直流型：直流伺服馬達(dá)，有碳刷運(yùn)轉(zhuǎn)磨耗所產(chǎn)生粉塵的問(wèn)題，于無(wú)塵要求的場(chǎng)所就不宜使用，以小容量為主�！不剞D(zhuǎn)子：線圈；固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷〕

　　SM同步形伺服馬達(dá)

　　特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1.免維護(hù)。2.耐環(huán)境性佳。3.轉(zhuǎn)矩特性佳，定轉(zhuǎn)矩。4.停電時(shí)可發(fā)電剎車。5.尺寸小、重量輕。6.高效率。

　　缺點(diǎn)：1.AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。2.MOTOR及AMP必需1：1搭配使用。3.永久磁石有消磁的可能。

　　IM感應(yīng)形伺服馬達(dá)

　　特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1.維護(hù)容易。2.耐環(huán)境性佳。3.高速時(shí)，轉(zhuǎn)矩特性佳。4.可制做大容量，效率佳。5.構(gòu)造堅(jiān)固。

　　缺點(diǎn)：1.小容量機(jī)種，效率差。2.AMP較DC形構(gòu)造復(fù)雜。3.停電時(shí)，無(wú)法動(dòng)態(tài)剎車。4.隨溫度變動(dòng)影響特性。5.AMP與MOTOR必需1：1使用。

　　DC直流形伺服馬達(dá)

　　特長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：1.伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單。2.停電時(shí)可發(fā)電剎車。3.體積小、價(jià)格低。4.效率佳。

　　缺點(diǎn)：1.整流子外圍需定期保養(yǎng)。2.碳刷磨耗產(chǎn)生(碳粉)，無(wú)法應(yīng)用于要求凊絜的場(chǎng)所。3.因整流器碳刷的問(wèn)題，高速時(shí)轉(zhuǎn)矩差。4.永久磁石有消磁的可能。

　　伺服的控制原理

　　伺服系統(tǒng)的最大特色：透過(guò)回饋信號(hào)的控制方式〔可做指令值與目標(biāo)值的比較，因而大幅減少誤差狀況〕。

　　何謂回饋信號(hào)：向控制對(duì)象下達(dá)指令后，正確的追蹤并查明現(xiàn)在值，且隨時(shí)回饋控制內(nèi)容的偏差值、待目標(biāo)物到達(dá)目的地后，回饋位置值，如此反復(fù)動(dòng)作。

　　控制流程：檢測(cè)機(jī)械本體之位置檢出，回路為封閉系統(tǒng)，稱之為全閉回路 。相反，檢測(cè)馬達(dá)軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部構(gòu)成

　　整流部：通過(guò)整流部，將交流電源變?yōu)橹绷麟娫�，�?jīng)電容濾波，產(chǎn)生平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)的直流電源。

　　逆變部：由控制部過(guò)來(lái)的SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，將直流電源變?yōu)镾PWM波形，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

　　控制部分：伺服單元采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，通過(guò)高性能的硬件支持，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化，現(xiàn)在所有的伺服已采用（DSP數(shù)字信號(hào)處理）芯片，DSP，能夠執(zhí)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制器的功能。給出PWM信號(hào)控制信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。

　　編碼器：伺服電機(jī)配有高性能的轉(zhuǎn)角測(cè)量編碼器，可以精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置與電機(jī)的轉(zhuǎn)速，逆變器采用新型電力電子半導(dǎo)體器件，目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來(lái)越多地采用開(kāi)關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGPT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。

　　尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始使用一種把控制電路功能和大功率電子開(kāi)關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡(jiǎn)稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號(hào)完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

　　伺服電機(jī)一般都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式 。

　　速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來(lái)控制的。位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運(yùn)動(dòng)功能來(lái)選擇。

　　如果您對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。

　　如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者，基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對(duì)上位控制器沒(méi)有很高的要求。

　　就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。

　　對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢（比如PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器），就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開(kāi)，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。

　　換一種說(shuō)法是：

　　1、轉(zhuǎn)矩控制：

　　轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）。可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

　　2、位置控制：

　　位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

　　3、速度模式：

　　通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終。