伺服電機的工作原理

下圖所示是一種采用功率運算放大器LM675制成的伺服電動機控制電路，電動機采用直流伺服電動機。從圖可見，功率運算放大器LM675由15V供電，15V電壓經(jīng)RP1加到運算放大器LM675的同相輸入端，LM675的輸出電壓加到伺服電動機的輸入端。電動機上裝有測速信號產(chǎn)生器，用于實時檢測電動機的轉(zhuǎn)速。實際上測速信號產(chǎn)生器是一種發(fā)電機，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分壓后加到運算放大器的同相輸入端，相當于基準電壓。

伺服電動機的控制原理圖

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

速度指令電位器RP1：在電路中設(shè)定運算放大器的基準電壓，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。當電動機的負載發(fā)生變動時，反饋到運算放大器反相輸入端的電壓也會發(fā)生變化，即電

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

伺服電機優(yōu)點

1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(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)速能達到2000～3000轉(zhuǎn)；

3、適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于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、及時性：電機加減速的動態(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。

伺服電機的選型步驟

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

因此不但機構(gòu)重量會影響伺服電機的選用，運動條件也會改變伺服電機的選用。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輸出轉(zhuǎn)矩。選用伺服電機規(guī)格時，依下列步驟進行。

（1）明確負載機構(gòu)的運動條件要求，即加/減速的快慢、運動速度、機構(gòu)的重量、機構(gòu)的運動方式等。

（2）依據(jù)運行條件要求選用合適的負載慣量計算公式計算出機構(gòu)的負載慣量。

（3）依據(jù)負載慣量與伺服電機慣量選出適當?shù)募龠x定伺服電機規(guī)格。

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

（5）依據(jù)負載重量、配置方式、摩擦系數(shù)、運行效效率計算出負載轉(zhuǎn)矩。

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

（7）依據(jù)負載轉(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。

（8）初選伺服電機的額定轉(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證直至符合要求。

（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。