伺服電機(jī)的工作原理

　　下圖所示是一種采用功率運(yùn)算放大器LM675制成的伺服電動機(jī)控制電路，電動機(jī)采用直流伺服電動機(jī)。從圖可見，功率運(yùn)算放大器LM675由15V供電，15V電壓經(jīng)RP1加到運(yùn)算放大器LM675的同相輸入端，LM675的輸出電壓加到伺服電動機(jī)的輸入端。電動機(jī)上裝有測速信號產(chǎn)生器，用于實(shí)時檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際上測速信號產(chǎn)生器是一種發(fā)電機(jī)，它輸出的電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測速信號產(chǎn)生器G輸出的電壓經(jīng)分壓電路后作為速度誤差信號反饋到運(yùn)算放大器的反相輸入端。速度指令電位器RP1設(shè)定的電壓值經(jīng)R1.R2分壓后加到運(yùn)算放大器的同相輸入端，相當(dāng)于基準(zhǔn)電壓。

　　伺服電動機(jī)的控制原理圖

　　伺服電動機(jī)用字母M表示伺服電動機(jī)，是驅(qū)動系統(tǒng)的動力之源。運(yùn)算放大器：用電路名稱表示，即LM675，是伺服控制電路中的放大器件，為伺服電動機(jī)提供驅(qū)動電流。

　　速度指令電位器RP1：在電路中設(shè)定運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓，即速度設(shè)定。放大器增益調(diào)整電位器RP2：在電路中分別用于微調(diào)放大器的增益和速度反饋信號的大小。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載發(fā)生變動時，反饋到運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓也會發(fā)生變化，即電

　　動機(jī)負(fù)載加重時，速度會降低，測速信號產(chǎn)生器的輸出電壓也會降低，使運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓降低，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差增加，運(yùn)算放大器的輸出電壓增加。反之，當(dāng)負(fù)載變小、電動機(jī)速度增加時，測速信號產(chǎn)生器的輸出電壓上升，加到運(yùn)算放大器反相輸入端的反饋電壓增加，該電壓與基準(zhǔn)電壓之差減小，運(yùn)算放大器的輸出電壓下降，會使電動機(jī)的速度隨之下降，從而使轉(zhuǎn)速能自動穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

　　1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)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(qiáng)，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(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；

　　5、及時性：電機(jī)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。

　　伺服電機(jī)的選型步驟

　　每種型號伺服電機(jī)的規(guī)格項(xiàng)內(nèi)均有額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩及伺服電機(jī)慣量等參數(shù)各參數(shù)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣量間必定有相關(guān)聯(lián)系存在，選用伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動條件要求，如加速度的快慢、機(jī)構(gòu)的重量；機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式（水平、垂直旋轉(zhuǎn)）等；運(yùn)動條件與伺服電機(jī)輸出功率無直接關(guān)系，但是一般伺服電機(jī)輸出功率越高，相對輸出轉(zhuǎn)矩也會越高。

　　因此不但機(jī)構(gòu)重量會影響伺服電機(jī)的選用，運(yùn)動條件也會改變伺服電機(jī)的選用。慣量越大時，需要越大的加速及減速轉(zhuǎn)矩，加速及減速時間越短時，也需要越大的伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。選用伺服電機(jī)規(guī)格時，依下列步驟進(jìn)行。

　?。?）明確負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動條件要求，即加/減速的快慢、運(yùn)動速度、機(jī)構(gòu)的重量、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式等。

　?。?）依據(jù)運(yùn)行條件要求選用合適的負(fù)載慣量計算公式計算出機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量。

　?。?）依據(jù)負(fù)載慣量與伺服電機(jī)慣量選出適當(dāng)?shù)募龠x定伺服電機(jī)規(guī)格。

　?。?）結(jié)合初選的伺服電機(jī)慣量與負(fù)載慣量，計算出加速轉(zhuǎn)矩及減速轉(zhuǎn)矩。

　?。?）依據(jù)負(fù)載重量、配置方式、摩擦系數(shù)、運(yùn)行效效率計算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

　　（6）初選伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于加速轉(zhuǎn)矩＋負(fù)載轉(zhuǎn)矩；如不符合條件，必須選用其他型號計算驗(yàn)證直至符符合要求。

　?。?）依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩及保持轉(zhuǎn)矩計算出連續(xù)瞬時轉(zhuǎn)矩。

　?。?）初選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于連續(xù)瞬時轉(zhuǎn)矩，如，如果不符合條件，必須選用其他型號計算驗(yàn)證直至符合要求。

　　（9）完成選定。

　　最簡單伺服電機(jī)選型計算方式

　　伺服電機(jī)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(diǎn)：

　　1、如果電機(jī)功率選得過小。就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機(jī)長期過載，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)功率選得過大。就會出現(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，不但對用戶和電網(wǎng)不利。而且還會造成電能浪費(fèi)。

　　也就是說，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)過以下計算或比較：

　　P=：F*V/100

　?。ㄆ渲蠵是計算功率，單位是KW，F(xiàn)是所需拉力，單位是N，V是工作機(jī)線速度m/s）

　　此外。最常用的是采用類比法來選擇電機(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)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電機(jī)的工作電流，將測得的電流與該電機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對比。

　　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)的功率選得過大，應(yīng)調(diào)換功率較小的電機(jī)。

　　如果測得的電機(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、電源斷電時伺服器沒有再生制動，無法對電機(jī)減速。同時系統(tǒng)的機(jī)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(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，且停止的時間較長。如果使用伺服的自鎖功能，往往會造成電機(jī)過熱或放大器過載，這種情況就要選擇帶電磁制動的電機(jī)。

　　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(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量會增大，計算轉(zhuǎn)矩時要進(jìn)行考慮。