直流伺服电机的运行机理

交流伺服电机的工作原理

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

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什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？

答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，

请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？

答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

⑵定子绕组散热比较方便。

⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

⑷适应于高速大力矩工作状态。

就从使用上说好了步进电机是开环控制（在信号不丢失不过载的情况下一般不会失步，但一但失步不容易发现）交流伺服电机是闭环控制相对来说控制精度更高更可靠,过载能力强。当然成本要比步进高。步进和交流伺服都是感应电机，但后者是同步电机，闭环，精度高，前者靠特殊的转子实现定位，开环，精度差

伺服电机（Servo Motor）是一种高性能、精度高的电机，它通常由电机、减速器、编码器和电子控制系统组成。相比普通电机，伺服电机的最大特点是具有非常高的位置、速度和加速度控制精度。其工作原理可以简述如下：

伺服电机的控制系统会根据输入的指令信号，通过编码器或其他传感器来检测电机转动的角度和速度信息，然后计算出与设定值之间的误差，并通过反馈控制的方式来调整电机的转动状态，使得其转动到指定位置或速度。这个过程需要借助一个闭环反馈系统，通常使用PID控制算法来实现。

具体来说，电机会接收到一个脉冲信号，掌握初始位置，然后每次接收到控制信号时就会转动一定角度；而反馈系统会不断检测电机转动的状态，将电机位置与预设目标进行比较并计算出误差，然后将调整信号发送给电机驱动器，以达到更精确的控制效果。

总的来说，伺服电机可以实现非常精细的位置和速度控制，广泛用于各种工业自动化和机器人应用中。

简答:

对应关系是

U相电流——U轴磁场

V相电流——V轴磁场

W相电流——W轴磁场

深入分析:

交流伺服电机是一种典型的异步电机,需要三相交流电源驱动。三相电源产生的旋转磁场使电机运转。这三个相电流与电机定子绕组中的三个空间轴向一一对应,分为U轴、V轴和W轴。

1 U轴:定子上连接u相电流的针状电枢,产生U相磁场。U相电流越大,U轴的磁场越强。U轴磁场决定电机的磁场分布及旋转方向。

2 V轴:定子上连接v相电流的针状电枢,产生V相磁场。V相电流越大,V轴的磁场越强。V轴磁场共同作用下,与U轴磁场形成旋转磁场。

3 W轴:定子上连接w相电流的针状电枢,产生W相磁场。W相电流越大,W轴的磁场越强。W轴磁场与U轴、V轴磁场共同作用,形成稳定的旋转磁场,驱动电机转子旋转。

三相交流电源的U相、V相和W相分别连接到定子绕组,产生三个旋转磁场分量,这三个磁场分量之间有120°的夹角。三个旋转磁场分量的合力作用在转子表面,形成一个完整的旋转磁场,驱动转子旋转,这就是交流伺服电机产生驱动力的原理。

综上,交流伺服电机的三相电流与三轴空间磁场有如下对应关系:

U相电流——U轴磁场

V相电流——V轴磁场

W相电流——W轴磁场

三轴磁场的交替变化产生旋转磁场,推动转子运转,这是交流伺服电机得以工作的基础。所以,理解三相电流与三轴磁场的对应关系,是研究交流伺服电机原理的基础。

针对交流伺服电机的三相对应关系,给出以下建议:

1通读电机绕组结构及三相电源连接原理,这有助于理解各相电流与定子磁场轴的对应关系。定子结构决定了各相电流的分布,也决定了磁场轴的方向。

2仔细研究三相交流电转换为旋转磁场的原理。三相电流产生的三个旋转磁场分量及其相互作用是驱动电机运行的关键。

3分析电机空载与功率耗散实验的三相电流波形,观察三相电流的相互关系,这可以直接体现出与磁场轴的对应规律。

4理解转子在旋转磁场中的运动学原理。转子的运动方向和速度与磁场旋转方向和速度密切相关,这也间接地展现了三相电流与磁场轴的对应关系。

5对比研究不同类型交流伺服电机的绕组结构,三相供电方式及其磁场轴定向,加深对本问题的理解。不同结构和类型的电机,三相对应关系也会有细微差别。

交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。固定和保护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯形转子3和内定子5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料(如铜或铝)制成空心杯形状，杯子底部固定在转轴7上。空心杯的壁很薄(小于05mm)，因此转动惯量很小。内定子由硅钢片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电机工作时，内﹑外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组(或杯形壁)并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流(或涡流)，这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等(与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小)，但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等(正转者大，反转者小)合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

交流伺服电机与三相交流异步电动机的区别在于：\x0d\\x0d\一、控制精度不同 \x0d\\x0d\两相混合式步进电机步距角一般为36°、 18°，五相混合式步进电机步距角一般为072 °、036°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为009°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为18°、09°、072°、036°、018°、009°、0072°、0036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 \x0d\\x0d\交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=989秒。是步距角为18°的步进电机的脉冲当量的1/655。 \x0d\\x0d\二、低频特性不同 \x0d\\x0d\步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 \x0d\\x0d\交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 \x0d\\x0d\三、矩频特性不同 \x0d\\x0d\步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 \x0d\\x0d\四、过载能力不同 \x0d\\x0d\步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 \x0d\\x0d\五、运行性能不同 \x0d\\x0d\步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 \x0d\\x0d\六、速度响应性能不同 \x0d\\x0d\步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 \x0d\\x0d\综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机 \x0d\\x0d\直线异步电动机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等。定子可制成短定子和长定子两种形式。由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用。直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心也是由硅钢片叠成，表面开有齿槽；槽中嵌有三相、两相或单相绕组；单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相。直线异步电动机的动子有三种形式： \x0d\(1)磁性动子 动子是由导磁材料制成（钢板），既起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用。 \x0d\(2)非磁性动子 ，动子是由非磁性材料（铜）制成，主要起导电作用，这种形式电动机的气隙较大，励磁电流及损耗大。 \x0d\(3)动子导磁材料表面覆盖一层导电材料，导磁材料只作为磁路导磁作用；覆盖导电材料作笼型绕组。 \x0d\因磁性动子的直线异步电动机结构简单，动子不仅作为导磁、导电体，甚至可以作为结构部件，其应用前景广阔。 \x0d\直线异步电动机的工作原理和旋转式异步电动机一样，定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，则在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线异步电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线异步电动机作往复直线运动。 \x0d\直线异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，如门自动开闭装置，起吊、传递和升降的机械设备，驱动车辆，尤其是用于高速和超速运输等。由于牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦，无噪声，无转子发热，不受离心力影响等问题。因此，其应用将越来越广。直线同步电动机由于性能优越，应用场合与直线异步电动机相同，有取代趋势。直线步进电动机应用于数控绘图仪、记录仪、数控制图机、数控裁剪机、磁盘存储器、精密定位机构等设备中。 \x0d\同步式(次级为永久磁钢)由于效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流