伺服电动机

8.2.1　伺服电动机

伺服电动机是把输入的电信号（如电压）变为转轴的角位移或角速度输出的电动机。无信号到来，伺服电动机转子静止不动；有信号到来，转子就立即转动，当信号消失，转子立即停止。伺服电动机能带动一定的负载，在自动控制系统中作为执行元件，所以又称为执行电动机。

伺服电动机分为直流和交流两大类。直流伺服电动机输出功率较大，可达几百瓦；交流伺服电动机输出功率较小，通常只有几十瓦。

1．直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构及原理与普通直流电动机相同，是一种体积和容量都很小的直流电动机。按磁极的种类分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。按控制方式又分为电枢控制和磁场控制两类。磁场控制性能不如电枢控制性能好，很少使用。以下只对电枢控制的工作原理做介绍。

电枢控制时，在电枢绕组（即控制绕组）上加控制电压U ₂，用以控制输出的转速和转向；在励磁绕组上加恒定直流电压U ₁，用以产生恒定的磁通φ。原理接线如图8-14所示。

图8-14　电枢控制时的原理接线图

如果不考虑直流伺服电动机的电枢反应的影响，可得到与他励（并励）电动机一样的机械特性，即：

由于磁通φ恒定，当U ₂不同时，机械特性实为一组平行的直线，如图8-15所示。

图8-15　直流伺服电动机电枢控制时的机械特性

由图可见，在一定的负载转矩下，电动机的转速随电枢电压升高（降低）而升高（降低），且电枢电压增加与转速增加之间成正比关系。当U₂=0时，电动机立即停转，当U₂极性改变时，电动机就反转。直流伺服电动机的机械特性较硬。

2．交流伺服电动机

交流伺服电动机就是两相异步电动机，它的定子上有空间相差90°的两相分布绕组，一相为励磁绕组f，与励磁电源连接，另一相是控制绕组K，与控制信号相连接。它的转子结构有笼形和非磁性杯形两种，笼形转子结构与笼形异步电动机相同，不同的是在材质上转子导体用电阻率高的铸铝或青铜做成。非磁性杯形转子外形如茶杯，壁薄，质量轻，惯性小，多用高电阻的硅锰青铜或铝锌青铜制成；此外，在空心杯形转子内放置有固定的内转子，以减小磁路的磁阻。笼形与杯形转子伺服电动机结构如图8-16所示。目前主要是应用笼形转子的伺服电动机。

图8-16　交流伺服电动机结构

交流伺服电动机像直流伺服电动机一样具有伺服性，即控制信号强时，电动机转速高；控制信号弱时，电动机转速低；控制信号消失，电动机停止转动。

交流伺服电动机的工作原理与单相交流异步电动机非常相似，如图8-17所示为交流伺服电动机的原理图。当它的励磁绕组接通励磁电源，控制绕组接通控制信号后，两绕组将流过相位差为90°的两相电流，则气隙磁场变为旋转磁场，旋转磁场切割转子导体产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用又产生电磁转矩，使转子转动。在控制电压消失时，由于其一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，因而交流伺服电动机立即停止，并不产生自转现象。

图8-17　交流伺服电动机的原理图

如图8-18所示为交流伺服电动机在控制电压消失后，只有一相绕组通电运行时的机械特性。正转电磁转矩特性曲线T⁺=f（s）上，时的临界转差率，T⁻=f（s）与T⁺=f（s）对称，可得电动机总电磁转矩T=f（s）（图中阴影部分）。在0＜s＜1，即0＜n＜n₁时，T＜0，为制动转矩；在1＜s＜2，即－n₁＜n＜0时，T＞0，也为制动转矩。所以，控制电压消失后，一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，这样就避免了交流伺服电动机的自转而具有伺服性。

图8-18　交流伺服电动机的机械特性

交流伺服电动机转速的大小与励磁电压的大小、控制电压的大小及它们之间的相位差均有关系。因此，只要改变三个量中的一个或两个量均可改变电动机转速。