伺服電機

摘 要：本文闡述了伺服電機的工作原理，并對其基本結構、種類做了介紹，說明了伺服電機的實用性。

關鍵詞：伺服電機；工作原理；結構；應用。

中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 20-0000-01

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中作為執行元件。它可以將輸入的電信號轉變為轉軸的角位移或角速度輸出，通過改變控制電信號的大小和極性，可改變電動機的轉速大小和轉向。伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類。直流伺服電機輸出功率較大，功率范圍通常為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦，可用于功率較大的控制系統；而交流伺服電機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦，可用于功率較小的控制系統。

一、直流伺服電機

（一）直流伺服電機的結構與工作原理

1.普通型直流伺服電機。普通型直流伺服電機的結構與他勵直流電機的結構相同，由定子和轉子兩大部分組成。根據勵磁方式又可分為電磁式和永磁式兩種，電磁式伺服電機的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產生磁通；永磁式伺服電機的磁極是永磁鐵，其磁通是不可控的。與普通直流電機相同，直流伺服電機的轉子一般由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷與外邊電樞控制電路相連接。為提高控制精度和響應速度，伺服電機的電樞鐵心長度與直徑之比比普通直流電機要大，氣隙也較小。

當定子中的勵磁磁通和轉子中的電流相互作用時，就會產生電磁轉矩驅動電樞轉動，恰當地控制轉子中電樞電流的方向和大小，就可以控制伺服電機的轉動方向和轉動速度。電樞電流為零時，伺服電機則停止不動。普通的電磁式和永磁式直流伺服電機性能接近，其慣性較其他類型伺服電機大。

2.盤形電樞直流伺服電機。盤形電樞直流伺服電機定子由永久磁鐵和前后鐵軛共同組成，磁鐵可以在圓盤電樞的一側，也可在其兩側。盤形伺服電機的轉子電樞由線圈沿轉軸的徑向圓周排列，并用環氧樹脂澆注成圓盤形。盤形繞組中通過的電流是徑向電流，而磁通是軸向的，徑向電流與軸向磁通相互作用產生電磁轉矩，使伺服電機旋轉。

3.空心杯電樞直流伺服電機。空心杯電樞直流伺服電機有兩個定子，一個由軟磁材料構成的內定子和一個由永磁材料構成的外定子，外定子產生磁通，內定子主要起導磁作用。空心杯伺服電機的轉子，由單個成型線圈沿軸向排列成空心杯形，并用環氧樹脂澆注成型。空心杯電樞直接裝在轉軸上，在內外定子間的氣隙中旋轉。

4.無槽直流伺服電機。無槽直流伺服電機與普通伺服電機的區別是無槽直流伺服電機的轉子鐵心上不開元件槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面，然后用環氧樹脂澆注成型。

后三種伺服電機與普通伺服電機相比，轉動慣量小，電樞等效電感小，因此其動態特性好，適用于快速系統。

（二）直流伺服電機的應用

直流伺服電機在自動控制系統中作為執行元件，即在輸入控制電壓后，伺服電機能按照控制電壓信號的要求驅動工作機械，其在工業上的應用還很多，如發電廠鍋爐閥門的控制、變壓器有載凋壓定位等。

二、交流伺服電機

（一）交流伺服電機的基本結構

交流異步伺服電機的定子與單相異步電動機類似，其在定子槽中安放著空間相距90°電角度的兩相繞組，其中一個一相作為有勵磁繞組，另一相作為控制繞組。交流異步伺服電機的轉子通常為籠型機構，目前應用較多的轉子結構有以下兩種形式：

1.高電阻率導條的籠型轉子。高電阻率導條的籠型轉子和三相異步電動機的籠型轉子一樣，但籠型轉子的導條采用高電阻率的導電材料制造，如青銅、黃銅等，為了提高交流伺服電動機的快速響應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉動慣量。

2.非磁性空心杯形轉子。非磁性空心杯轉子交流伺服電動機有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。由于非磁性空心杯轉子的壁厚約為0.2～0.6mm，因而其轉動慣量很小，故電機快速響應性能好，而且運轉平穩平滑，無抖動現象。由于使用內外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大。

（二）交流伺服電機工作原理

交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。電機定子上有兩相繞組，一相是勵磁繞組，接到交流勵磁電源上，另一相為控制繞組，接入控制電壓，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓和控制電壓頻率相同。交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電流上，建立的是脈振磁場，電機無啟動轉矩；當控制繞組加上控制電壓，且產生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉磁場，于是產生啟動力矩，電機轉子轉動起來。如果電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續旋轉的失控現象稱為“自轉”。自轉的原因是控制電壓消失后，電機仍有與原轉速方向一致的電磁轉矩。在自控系統中，不允許伺服電機出現“自轉”現象。消除“自轉”的方法是消除與原轉速方向一致的電磁轉矩，同時產生一個與原轉速方向相反的電磁轉矩，使電機在控制電壓等于0時停止轉動。

（三）交流伺服電機的應用

交流伺服電機廣泛應用于自動控制系統中，根據被控對象不同，有速度控制和位置控制兩種類型。尤其是位置控制系統可以實現遠距離角度傳遞，它的工作原理是將主令軸的轉角傳遞到遠距離的執行軸，使之再現主令軸的轉角位置。如工業上發電廠鍋爐閘門的開啟、軋鋼機中軋輥間隙的自動控制、軍事上火炮和雷達的自動定位等大都采用交流伺服電機作為驅動電機。交流伺服電機在檢測裝置中的應用也很多，如電子自動電位差計，電子自動平衡電橋等。

參考文獻：

[1]楊宗豹.電機及拖動基礎[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[2]許曉峰.電機及拖動基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.