淺談伺服電動機構造及發展

伺服電動機又稱執行電動機。在定位系統中，最常用的馬達不外乎步進馬達和伺服馬達。其中，步進馬達主要可分為2相、5相、微步進系統;伺服馬達則主要分為DC伺服、SM伺服和IM伺服等3種。

一、伺服電動機介紹

伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降，為了使負載能夠在所要求的速度、加速度及張力范圍內運動，伺服電動機不僅要滿足一定的靜態指標，如有足夠的功率、轉矩等，還應滿足一定的動態指標，如快速響應、靈敏度和可控性等。

伺服電動機的負載可以是慣性負載、摩擦負載，也可以是外加阻力矩或是它們的任何組合。電動機與負載在性質和聯接方式(如減速裝置、聯動裝置)上均不同，它們的時間響應和相互影響程度也不同。因此，電動機和負載必須一起考慮。

整個控制系統的動特性通常主要決定于電動機和負載的特性。在有些控制機構中，負載可以忽略不計，這時控制系統的動特性主要與電動機有關，這種控制系統通常稱為儀表伺服系統。

二、伺服馬達的結構

1.DC伺服馬達

DC伺服馬達為伺服馬達中最早發展的一種，其結構和一般的直流馬達類似，較小型者為了控制方便起見，通常其定子磁場是由永久磁鐵所構成，但轉子上的整流片和電刷仍然存在，這也正是DC伺服馬達最大的缺點。因電樞電流所產生的轉子磁場方向和定子磁場方向垂直，故可得最大轉矩，只要控制電樞電流便可控制轉矩的大小。

2.同步型(SM)伺服馬達

此型伺服馬達也稱為DC無刷伺服馬達，其動作原理和直流伺服馬達一樣，只是將定子和轉子的角色對調，即轉子是由永久磁鐵所構成，如此一來就不需要電刷了。由于定子繞組產生的磁場方向，必須隨著轉子磁極的位置而變動，所以它是在檢測出轉子位置之后，再去控制定子繞組的電流，同樣地使定子磁場和轉子磁場方向相垂直，以產生最大轉矩。在數百瓦特以下的小容量馬達，其效率比感應型伺服馬達優越。

3.感應型(IM)伺服馬達

感應型伺服馬達的轉子為鼠籠型，轉子磁場是靠感應電流所產生的，又因三相感應馬達的定子電流可轉換成類似直流馬達的磁場電流成份與電樞電流成分，使得感應馬達的控制就如同DC伺服馬達一樣簡單，這兩種電流成份為相互垂直的向量，此種控制方式通常就稱為向量控制(Vector control)。與SM型比較起來，IM型較適合做大容量馬達的控制。

DC伺服馬達的適用容量范圍為5～1000W，SM伺服馬達適用容量范圍為30～2000W，IM伺服馬達適用于1000W以上。另外，AC伺服馬達還有一種稱為2相伺服馬達，這種馬達被使用得很早，它是一種高電阻轉子的鼠籠型感應馬達，其性能比其他的AC伺服馬達差，較無發展潛力。

三、伺服系統的發展趨勢

從前面的討論可以看出，數字化交流伺服系統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求越來越高?？偟膩碚f，伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面:

1.交流化

伺服技術將繼續迅速地由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統。在工業發達國家，AC伺服電機的市場占有率已經超過80%。在國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產DC伺服電機的廠家?？梢灶A見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。

2.全數字化

采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機(DSP)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進算法(如:最優控制、人工智能等)成為可能。

3.采用新型電力電子半導體器件

目前，伺服控制系統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(IGBT)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已經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，并實現了伺服系統的小型化和微型化。

4.高度集成化

新的伺服系統產品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統的體積，使得伺服系統的安裝與調試工作都得到了簡化。

5.智能化

最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，它們的智能化特點表現在以下幾個方面:首先他們都具有參數記憶功能，系統的所有運行參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統出現故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性;除以上特點之外，有的伺服系統還具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環調節系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環節，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統最具吸引力的特點之一。

6.模塊化和網絡化

在國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化(Factory Automation 簡稱FA)工程技術在最近十年來得到了長足的發展，并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口(如RS-232C或RS-422接口等)和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統。也可以通過串行接口，與可編程控制器(PLC)的數控模塊相連。

四、總結

伺服系統將向兩個方向發展。一是滿足一般工業應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等。二是代表著伺服系統發展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。

(作者單位:浙江省杭州市第一技師學院)