電機動作的原理

　　右手螺旋法則（安培定則）——通電生磁

　　安培定則，也叫右手螺旋定則，是表示電流和電流激發(fā)磁場的磁感線方向間關系的定則。通電直導線中的安培定則：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；通電螺線管中的安培定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

　　弗來明左手法則——磁生力

　　確定載流導線在外磁場中受力方向的定則。又稱電動機定則。左手平展，大拇指與其余4指垂直，手心沖著N級，4指為電流方向，大拇指為載流導線在外磁場中受力方向。

　　DC伺服馬達結構

　　伺服控制單元

　　SERVO 語源自拉丁語，原意為“奴隸”的意思，指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達到一個機械系統(tǒng)的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是把上位控制器的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

　　1.控制器：動作指令信號的輸出裝置。

　　2.驅動器：接收控制指令，并驅動馬達的裝置。

　　3.伺服馬達：驅動控制對象、并檢出狀態(tài)的裝置。

　　伺服馬達的種類

　　伺服馬達的種類，大致可分成以下三種：

　　1.同步型：采用永磁式同步馬達，停電時發(fā)電效應，因此剎車容易， 但因制程材料上的問題，馬達容量受限制�！不剞D子：永久磁鐵；固定子：線圈〕

　　2.感應型：感應形馬達與泛用馬達構造相似，構造堅固、高速時轉矩表現(xiàn)良好，但馬達較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上)大多為此形式�；剞D子、固定子皆為線圈〕

　　3.直流型：直流伺服馬達，有碳刷運轉磨耗所產(chǎn)生粉塵的問題，于無塵要求的場所就不宜使用，以小容量為主。〔回轉子：線圈；固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷〕

　　SM同步形伺服馬達

　　特長優(yōu)點：1.免維護。2.耐環(huán)境性佳。3.轉矩特性佳，定轉矩。4.停電時可發(fā)電剎車。5.尺寸小、重量輕。6.高效率。

　　缺點：1.AMP較DC形構造復雜。2.MOTOR及AMP必需1：1搭配使用。3.永久磁石有消磁的可能。

　　IM感應形伺服馬達

　　特長優(yōu)點：1.維護容易。2.耐環(huán)境性佳。3.高速時，轉矩特性佳。4.可制做大容量，效率佳。5.構造堅固。

　　缺點：1.小容量機種，效率差。2.AMP較DC形構造復雜。3.停電時，無法動態(tài)剎車。4.隨溫度變動影響特性。5.AMP與MOTOR必需1：1使用。

　　DC直流形伺服馬達

　　特長優(yōu)點：1.伺服驅動器構造簡單。2.停電時可發(fā)電剎車。3.體積小、價格低。4.效率佳。

　　缺點：1.整流子外圍需定期保養(yǎng)。2.碳刷磨耗產(chǎn)生(碳粉)，無法應用于要求凊絜的場所。3.因整流器碳刷的問題，高速時轉矩差。4.永久磁石有消磁的可能。

　　伺服的控制原理

　　伺服系統(tǒng)的最大特色：透過回饋信號的控制方式〔可做指令值與目標值的比較，因而大幅減少誤差狀況〕。

　　何謂回饋信號：向控制對象下達指令后，正確的追蹤并查明現(xiàn)在值，且隨時回饋控制內容的偏差值、待目標物到達目的地后，回饋位置值，如此反復動作。

　　控制流程：檢測機械本體之位置檢出，回路為封閉系統(tǒng)，稱之為全閉回路 。相反，檢測馬達軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。

　　伺服驅動器的內部構成

　　整流部：通過整流部，將交流電源變?yōu)橹绷麟娫�，�?jīng)電容濾波，產(chǎn)生平穩(wěn)無脈動的直流電源。

　　逆變部：由控制部過來的SPWM信號，驅動IGBT，將直流電源變?yōu)镾PWM波形，以驅動伺服電機。

　　控制部分：伺服單元采用全數(shù)字化結構，通過高性能的硬件支持，實現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化，現(xiàn)在所有的伺服已采用（DSP數(shù)字信號處理）芯片，DSP，能夠執(zhí)行位置、速度、轉矩和電流控制器的功能。給出PWM信號控制信號作用于功率驅動單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。

　　編碼器：伺服電機配有高性能的轉角測量編碼器，可以精確測量轉子的位置與電機的轉速，逆變器采用新型電力電子半導體器件，目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGPT）等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應速度，降低了運行噪聲。

　　尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

　　伺服電機一般都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。

　　速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運動功能來選擇。

　　如果您對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉矩，當然是用轉矩模式。

　　如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。

　　就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。

　　對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環(huán)也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

　　換一種說法是：

　　1、轉矩控制：

　　轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）�？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

　　2、位置控制：

　　位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。

　　3、速度模式：

　　通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終。