伺服電機(jī)的基本概念是現(xiàn)成的，有很多解釋和分類。本文只介紹交流旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，最常見的一種！
伺服電機(jī)的基本概念
交流伺服電機(jī)一般看起來是這樣的：
圖1:交流伺服電機(jī)
普通電機(jī)，或者三相異步電機(jī)，一般看起來是這樣的：
圖2:三相異步電機(jī)
伺服電機(jī)的小外觀是否精致流暢？
但是，工業(yè)圈不像娛樂圈那么亂，價(jià)值控制不可行。不同的電機(jī)各有特點(diǎn)，但應(yīng)用場(chǎng)合不同。請(qǐng)嚴(yán)肅點(diǎn)！
回到伺服電機(jī)，它的應(yīng)用特點(diǎn)是：位置控制，控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，高速性能好等。
掛書包前交流伺服電機(jī)全稱：交流永磁同步伺服電機(jī)(PMSM)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖3:交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
“交流永磁同步伺服電機(jī)”的概念分解；
交流電：三相正弦交流電(PWM調(diào)制)通過伺服電機(jī)定子，用于勵(lì)磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
永磁體：永磁體附著在伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面。
同步：運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，即保持同步。這與感應(yīng)電機(jī)不同，感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行條件是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)存在差異(轉(zhuǎn)差)，轉(zhuǎn)子依靠這種轉(zhuǎn)差切割磁力線產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
伺服：電機(jī)后面有編碼器，其反饋信號(hào)與驅(qū)動(dòng)器形成閉環(huán)控制，所以稱為伺服。
電機(jī)貫穿轉(zhuǎn)子，編碼器安裝在電機(jī)軸的端部，編碼器碼盤隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器信號(hào)從“編碼器連接器”引出，反饋信號(hào)輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)。
伺服電機(jī)的“電源”接口連接到伺服驅(qū)動(dòng)器的“U V W”三相線。驅(qū)動(dòng)器通過這個(gè)接口向伺服電機(jī)的三相定子繞組線圈注入三相交流電。
伺服電機(jī)的基本工作原理
從上面可以看出，伺服電機(jī)的典型組成是一個(gè)三相分布繞組的定子，一個(gè)帶永磁體的轉(zhuǎn)子和一個(gè)可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器。當(dāng)三相交流電輸入定子時(shí)，定子中會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子由具有自身轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的永磁體組成。轉(zhuǎn)矩是由定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的引力和斥力產(chǎn)生的。在伺服電機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。
電機(jī)的閉環(huán)控制算法主要是控制注入定子的三相交流電的幅值和頻率，使定子磁場(chǎng)垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)精確控制(位置、速度或轉(zhuǎn)矩)。
如圖4所示，控制回路的輸入為控制指令、電流反饋和位置反饋，輸出為逆變器的開關(guān)邏輯控制信號(hào)，從而控制逆變器的電流輸出。
圖4:交流伺服電機(jī)的控制
不是很簡(jiǎn)單嗎？銷售人員也想回來做伺服？不要那么樂觀，先去了解一些理論知識(shí)吧。
電磁鐵基礎(chǔ)理論
電線繞成線圈，通上電流就能形成電磁鐵。當(dāng)線圈中加入鐵芯時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)變得很強(qiáng)。磁通量產(chǎn)生一個(gè)N磁極和一個(gè)S磁極。N極和S極的方向由電流方向決定(右手定則，還記得嗎？不過沒關(guān)系，反正不用高考)，如圖5:
圖5:電磁鐵的基本原理
如果將繞組放在電機(jī)的定子上，定子上會(huì)產(chǎn)生磁極。如圖6所示：
圖6:定子繞組示意圖
如果在N極和S極之間插入磁棒，如下圖所示，磁棒被定子磁場(chǎng)吸引，傾向于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩取決于定子和轉(zhuǎn)子之間的磁力，如圖7所示：
圖7:定子帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)
伺服電機(jī)的定子由層疊的薄合金片制成。用合金板沖壓層壓板，并在層壓后焊接在一起。疊片可以減少由渦流引起的能量損失。在槽中加入絕緣材料，嵌入相線圈繞組，綁上線圈頭，在繞組上涂上熱固性漆，完成裝配，如圖8所示：
圖8:電機(jī)定子成品圖
線圈嵌入前的定子鐵芯如左圖所示，U、V、W三相繞組按右圖插入定子齒槽。紫外三相分別用藍(lán)色、黃色和紅色表示。
圖9:伺服電機(jī)定子鐵芯和繞組安裝示意圖：
三相所有線圈串聯(lián)，插入時(shí)方向交替。例如，如果U相的第一個(gè)線圈順時(shí)針纏繞在齒上，那么下一個(gè)線圈在插入時(shí)將逆時(shí)針纏繞在齒上。這樣，當(dāng)電流流入相位線圈時(shí)，第一個(gè)線圈產(chǎn)生一個(gè)N極，第二個(gè)線圈產(chǎn)生一個(gè)S極…
這樣，通過控制流入U(xiǎn)、V、W三相線圈的電流，就可以在定子中控制所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子為圓柱形，由實(shí)心或疊片鐵芯和徑向磁化的永磁體制成。電機(jī)具有6極、8極和10極的結(jié)構(gòu)。因此，在電機(jī)生產(chǎn)線上經(jīng)?？梢钥吹搅呅?、八邊形或十邊形的鐵芯。棱鏡表面用于附著永久磁鐵。表面貼裝伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，磁鐵會(huì)脫落。
除了表面粘貼之外，還可以將永久磁鐵插入表面。插表式是將永磁體插入不銹鋼扁槽或圓筒內(nèi)固定磁體，如圖10所示。左圖為6極伺服電機(jī)，右圖為8極伺服電機(jī)。
圖10:表面插入式轉(zhuǎn)子鐵芯
無論永磁體是表面安裝還是表面插入，因?yàn)槊總€(gè)永磁體都是徑向磁化的，所以每個(gè)永磁體都代表轉(zhuǎn)子上的N極或S極。
如果仔細(xì)查伺服電機(jī)的技術(shù)參數(shù)表，會(huì)有極數(shù)(或者說極數(shù))。比如ABB的ESM系列就是8極(4極對(duì))伺服電機(jī)。HDS系列伺服電機(jī)除HDS240系列為6極(3極對(duì))外，其余均為10極(5極對(duì))電機(jī)。
圖11:定子和轉(zhuǎn)子裝配后的示意圖(此圖來自網(wǎng)絡(luò))
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度曲線
每個(gè)伺服電機(jī)都有一條轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，這是伺服電機(jī)的基本曲線，如圖12所示。
圖12:伺服電機(jī)扭矩和速度曲線
在該圖中，橫軸表示轉(zhuǎn)速，縱軸表示扭矩。從圖中可以看出，這款伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定扭矩約為12.5Nm，過載三倍。根據(jù)公式P=T*n/9550，這臺(tái)電機(jī)的額定功率約為4kw。所以轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線的讀取也是伺服電機(jī)學(xué)習(xí)中的必備知識(shí)。
以上為交流伺服電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，部分為參考網(wǎng)絡(luò)圖片或公開資料，部分為手繪，避免抄襲。如果有什么不對(duì)的地方，請(qǐng)隨時(shí)指出。謝謝大家！
