淺議伺服電機的安裝與調試

周俊

（揚州鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州 225000）

伺服電機是一種線性或旋轉執行器，為閉環位置控制應用提供快速精確的位置控制。與大型工業電機不同，伺服電機不用于連續的能量轉換。伺服電機由于慣性低而具有高速響應，并且設計成小直徑和長轉子。其工作原理是利用位置反饋來控制電機的速度和最終位置的伺服機構。在內部，一個伺服電機結合了電機、反饋電路、控制器和其他電子電路。

它使用編碼器或速度傳感器來提供速度反饋和位置。該反饋信號與輸入指令位置（與負載相對應的電機期望位置）進行比較，并產生誤差信號（如果它們之間存在差異）。誤差檢測器輸出的誤差信號不足以驅動電機。因此，誤差檢測器之后的伺服放大器提高了誤差信號的電壓和功率水平，然后將電機的軸轉到所需位置。

1 伺服電機類型

伺服電機的類型根據其應用分為不同的類型，如交流伺服電機和直流伺服電機。評估伺服電機有三個主要考慮因素。首先基于它們的電流類型——交流或直流，其次是使用的換向類型，電機是否使用電刷，第三類考慮因素是電機的旋轉場，即轉子，旋轉是同步還是異步。交流或直流考慮是根據電機將使用的電流類型對其進行的最基本分類。從性能的角度來看，交流和直流電動機的主要區別在于控制速度的固有能力。對于直流電動機，速度與恒定負載下的電源電壓成正比。而在交流電機中，速度由應用電壓的頻率和磁極的數量決定。雖然交流和直流電動機都用于伺服系統，但交流電動機能承受更高的電流，更常用于伺服應用，如機器人、在線制造和其他需要高重復性和高精度的工業應用。有刷或無刷是下一個步驟。直流伺服電機使用換向器用電刷進行機械換向，或用電子方式進行無刷換向。有刷電機通常價格較低，操作簡單，而無刷設計更可靠，效率高，噪音小。換向器是一個旋轉的電氣開關，定期扭轉轉子和驅動電路之間的電流方向。它由一個圓柱體組成，由轉子上的多個金屬觸點段組成。兩個或多個由碳等軟性導電材料制成的被稱為“電刷”的電觸點壓在換向器上，在其旋轉過程中與換向器的各部分形成滑動接觸。雖然伺服系統中使用的大多數電機是交流無刷設計，但有刷永磁電機有時也被用作伺服電機，因為它們簡單且成本低。伺服應用中最常見的有刷直流電機是永磁直流電機。無刷直流電動機用電子方式取代物理電刷和換向器來實現換向，通常是通過使用霍爾效應傳感器或編碼器。交流電機通常是無刷的，盡管有一些設計，如通用電機，它可以在交流或直流電上運行，確實有電刷，并且是機械換向的。

最后要考慮的分類是伺服電機應用是否會使用同步或異步旋轉場。雖然直流電動機通常被分為有刷和無刷，但交流電動機更多的是通過其同步或異步旋轉磁場的速度來區分的。在交流電機中，速度由電源電壓的頻率和磁極的數量決定。這個速度被稱為同步速度。因此，在同步電機中，轉子的旋轉速度與定子的旋轉磁場相同。然而，在異步電機中，通常被稱為感應電機，轉子的旋轉速度要比定子的旋轉磁場慢。然而，異步電動機的速度可以利用幾種控制方法來改變，如改變極數和改變頻率。

直流伺服電機的工作原理是由四個主要部件組成的，一個直流電機、一個位置感應裝置、一個齒輪組件和控制電路。直流電動機的理想速度是基于所施加的電壓。為了控制電機速度，一個電位器產生一個電壓，作為誤差放大器的輸入之一。在一些電路中，控制脈沖被用來產生對應于電機所需位置或速度的直流參考電壓，并將其應用于脈沖寬度電壓轉換器。脈沖的長度決定了施加在誤差放大器上的電壓，作為產生期望速度或位置的期望電壓。

對于數字控制，PLC或其他運動控制器用于生成占空比的脈沖，以產生更精確的控制。反饋信號傳感器通常是一個電位器，通過齒輪機構產生一個與電機軸的絕對角度相對應的電壓。然后，反饋電壓值被施加在誤差比較器放大器的輸入端。放大器將由電位器反饋產生的電機當前位置的電壓與電機的期望位置進行比較，產生一個正負電壓的誤差。這個誤差電壓被施加到電機的電樞上。隨著誤差的增加，施加到電機電樞上的輸出電壓也會增加。只要誤差存在，比較器放大器就會放大誤差電壓并相應地給電樞供電。電機旋轉，直到誤差變為零。如果誤差為負值，電樞電壓就會逆轉，因此電樞就會朝相反的方向旋轉。交流伺服電機的工作原理是基于兩種不同類型的交流伺服電機的結構，它們是同步和異步（感應）。同步交流伺服電機由定子和轉子組成。定子由一個圓柱形框架和定子鐵芯組成。電樞線圈繞在定子鐵芯上，線圈與一根導線相連，電流通過導線提供給電機。轉子由永磁體組成，與異步感應型轉子不同的是，轉子中的電流是由電磁力感應的，因此這些類型被稱為無刷伺服電機。當定子磁場被電壓激勵時，轉子以相同的速度跟隨定子的旋轉磁場，或與定子的激勵磁場同步，這就是同步型的由來。有了這種永磁轉子，就不需要轉子電流，所以當定子磁場脫能和停止時，轉子也會停止。由于沒有轉子電流，這些電機的效率更高。

當需要轉子相對于定子的位置時，編碼器被放置在轉子上并向伺服電機控制器提供反饋。異步或感應交流伺服電機的定子由定子鐵芯、電樞繞組和導線組成，轉子由軸和轉子鐵芯繞組組成。大多數感應電機包含一個旋轉元件，即轉子或鼠籠。只有定子繞組是由交流電源供給的。在交流電源的作用下，定子繞組周圍產生交變磁通場。這個交變磁通場以同步速度旋轉。旋轉的磁通被稱為旋轉磁場（RMF）。根據法拉第電磁感應定律，定子旋轉磁場和轉子導體之間的相對速度會在轉子導體中產生感應電磁力。這與變壓器中發生的作用相同。現在，轉子中的感應電流也將在其周圍產生一個交變的磁通場。這個轉子磁通滯后于定子磁通。轉子的速度與旋轉的定子磁通場有關，轉子的旋轉方向與定子磁通的旋轉方向相同。轉子不能成功地追上定子磁通的速度或不同步，因此產生了異步的類型。

2 伺服電機組成

伺服意味著一種誤差感應反饋控制，用來糾正系統的性能。它還需要一個復雜的控制器，通常是一個專門為伺服電機設計的專用模塊。伺服電機是允許精確控制角度位置的電機。它們是電動機，其速度由齒輪慢慢降低。伺服電機通常有一個從90°～180°的旋轉切斷。少數伺服電機也有360°或更多的旋轉截止點。但是，伺服電機并不持續旋轉。它們的旋轉被限制在固定的角度之間。伺服電機是由四樣東西組成的：一個普通的電動機、一個齒輪減速裝置、一個位置感應裝置和一個控制電路。電動機與一個齒輪機構相連，該機構向位置傳感器提供反饋，而位置傳感器主要是一個電位器。從齒輪箱，電機的輸出通過伺服花鍵輸送到伺服臂。對于標準的伺服電機，齒輪通常是由塑料構成的，而對于高功率的伺服電機，齒輪是由金屬構成的。伺服電機由三條線組成，一條黑線連接到地面，一條白/黃線連接到控制單元，一條紅線連接到電源。伺服電機的功能是接收代表伺服軸所需輸出位置的控制信號，并向其電機供電，直到其軸轉到該位置。它使用位置感應裝置來計算軸的旋轉位置，因此它知道電機必須轉到哪個方向才能將軸移到指示位置。軸通常不會像電動機那樣自由旋轉，而是可以只轉200度。從轉子的位置，旋轉的磁場被創造出來以有效地產生扭矩。電流在繞組中流動，形成旋轉磁場。軸傳遞電機的輸出功率。負載通過傳輸機構被驅動。高功能稀土或其他永久磁鐵被安置在軸的外部。光電編碼器始終觀察旋轉的次數和軸的位置。

3 伺服電機的安裝

在我們開始安裝伺服電機之前，我們需要明白安裝伺服電機的原因和目的。伺服電機只在接收命令時才持續工作。這顯然被視為一種節能器，可以節省近70%的能源。不僅如此，伺服電機還能更好地控制過程，也確實適合行業內的新人，因為其速度可以控制，使得設備工作的過程更加順暢。

首先我們需要收集工具，不了解和安排所需的工具和設備可能會讓整個安裝進度多花費一個小時。在開始之前，有必要先了解一下這些工具并收集它們。一把可調節扳手，可調式扳手用于擰緊或松開螺栓和螺母。一把平頭螺絲刀，平頭螺絲刀有一個楔形的平頭，主要用于擰緊或松開頭部有直線型凹槽的螺栓。一把星頭螺絲刀，星形頭螺絲刀可以確保螺絲被打直。一把內六角扳手，內六角頭可以用內六角鑰匙，是一種簡單的裝置，用于驅動頭部有內六角工具的螺栓和螺釘。一把錘子，一個迷你錘子將有助于拆卸頑固的螺母和螺栓。將伺服電機從包裝中拿出來，收集所有散落的碎片。從V型皮帶輪或齒輪中選擇一個傳動系統。把皮帶輪放在伺服系統內，并使其與給定的螺母保持一致。不要把皮帶輪的蓋子擰得太緊，因為從長遠來看，這可能會給后期調整帶來麻煩。找到螺栓并將其安裝到機器左側的孔中。確保墊圈已經固定，螺栓足夠緊。使用螺栓槽，在穿好螺母后放置發動機。第三個螺栓必須在載體的另一側，必須與墊圈、螺栓和螺母一起操作。用手指擰緊螺母將提供一個松散的配合，可能有助于下一步的工作。同時必須把電機放在與皮帶相稱的位置上，由于這一步，手指擰緊三個安裝螺母是必不可少的。安裝時需要同步調整電機的位置，使其與皮帶槽的槽口相一致。不斷改進位置，直到它與皮帶輪在同一直線上。當它按照正確的方式，固定螺栓。找到皮帶槽，將皮帶插入其周圍。可以通過安裝在皮帶槽上進行調整，找到最合適的位置。如果皮帶松了，就把電機往后移，調整張力；如果皮帶太緊，就做完全相反的事，把電機往前移。最后，使皮帶和皮帶蓋站成一條線。將聯動桿的螺栓與來自電機的杠桿放在一起，用適當的設備固定。反復校核幾次，以確保它的位置正確，最終確保對電機速度的控制。

安裝電機時要注意以下幾點。

（1）在電機周圍留出足夠的間隙，使其保持在規定的工作溫度范圍內。需要參照伺服電機操作手冊中的接收和維護信息，了解工作范圍。除非有強制空氣吹過電機進行冷卻，否則不要將電機圍起來。風扇吹過電機會提高其性能。讓其他產生熱量的設備遠離電機。

（2）根據伺服電機制造廠商提供的參數，提前確定伺服電機的安裝尺寸。

（3）放置電機時，接頭朝下。

（4）正確安裝并對齊電機。

（5）在電機安裝完畢后，將所有電源和編碼器電纜連接起來，并在電纜中使用滴水環，以防止液體從接頭處流走。

4 伺服電機注意事項

在安裝伺服電機之前我們需要從運輸容器中小心地取出電機，同時目視檢查電機是否有損壞，檢查電機框架、前輸出軸和安裝導向器是否有任何缺陷。若有，應立即通知承運人任何運輸損壞。電機軸的機械連接，需要一個扭力剛性聯軸器或加強的同步帶，如聯軸器和滑輪。伺服電機的高動態性能可能導致聯軸器，滑輪或皮帶松脫或滑移。隨著時間的推移。連接松動或滑動將導致系統不穩定，并可能損壞電機軸。系統和伺服電機軸之間的所有連接必須是剛性的，以實現系統的可接受響應。定期檢查連接，驗證其剛性。當聯軸器或滑輪安裝到電機軸上時，確保連接正確對齊，軸向和徑向負載在電機的規格范圍內。電磁干擾(EMI)，通常稱為噪聲，可能會產生雜散信號，對電機性能產生不利影響。克服電磁干擾的有效方法包括對交流電源進行濾波，屏蔽和隔離信號線路，以及采用良好的接地技術。有效的交流電力濾波可以通過使用隔離的交流電力變壓器或適當安裝的交流線路濾波器來實現。

為了避免電磁干擾：

（1）在物理上將信號線與電機電纜和電源線分開。不要將信號線與電機和電源線一起布線，也不要穿過伺服驅動器的通風口。

（2）使用單點并聯接地系統將所有設備接地，該系統采用接地母線或大型接地帶。如有需要，可使用額外的電子降噪技術，以減少噪音環境中的電磁干擾。