由于我們是從事工廠自動控制方面的設備維修、維護管理技術人員，主要是合理地選擇和正确使用各種控制電機，因此今天着重闡述伺服電機的基本結構、工作原理、工作特性和使用方法。具體内容如下：

1 概述

2 伺服電機基本結構及原理

3 旋轉磁場作用下的運行分析

4 伺服電機的機械特性及控制方式

5 交流伺服電機的應用

6 伺服電機選擇及主要性能指标

一 概述

1.1 什麼叫伺服電機

伺服電動機也稱為執行電動機，在控制系統中用作執行元件，将電信号轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。

伺服電動機分為：1、交流伺服電動機；2、直流伺服電動機

1.2伺服電機最大特點

在有控制信号輸入時，伺服電動機就轉動；沒有控制信号輸入，它就停止轉動。改變控制電壓的大小和相位(或極性)就可改變伺服電動機的轉速和轉向。

1.3伺服電機與普通電機相比具有如下特點

1.5伺服電動機典型生産廠家

德國西門子，産品外形有：

還有我說過多次的松下伺服

它們的樣子大同小異。

二 伺服電機基本結構及原理

2.1基本結構

左側為伺服驅動器，右側為伺服電機，通常它們兩者需要匹配固定的型号

2.2轉子

(1) 籠型轉子

鐵芯槽内放銅條,端部用短路環形成一體,或鑄鋁形成轉子繞組。

(2) 杯型轉子綱

薄壁園筒形，放于内外定子之間。一般壁厚為0.3mm。

2.2 異步電動機轉動原理

當磁鐵旋轉時，在空間形成一個旋轉磁場。假設永久磁鐵是順時糾方向以n0的轉速旋轉，那末它的磁力線也就以順時針方向切割轉子導條，在轉子導條中就産生感應電勢。根據右手定則，N極下導條的感應電勢方向垂直地從紙面出來。而S極下導條的感應電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉子的導條都是通過短路環連接起來的，因此在感應電勢的作用下，在轉子導條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應電勢方向相同。再根據通電導體在磁場中受力原理，轉子載流導條又要與磁場相互作用産生電磁力，這個電磁力F作用在轉子上，并對轉軸形成電磁轉矩。根據左手定則，轉矩方向與磁鐵轉動的方向是一緻的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉子便在電磁轉矩作用下順着磁鐵旋轉的方向轉動起來。

三 旋轉磁場作用下的運行分析

3.1伺服電機旋轉磁場的産生

為了分析方便，先假定勵磁繞組有效匝數Uf與控制繞組有效匝數UC相等。這種在空間上互差900電角度，有效匝數又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。

同時，又假定通入勵磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流，用數學式表示為。

3.3 伺服電機旋轉磁場的速度

四 伺服電機的機械特性及控制方式

4.1伺服電機的機械特性

4.2 零信号時的機械特性和無“自轉”現象

對于伺服電動機，還有一條很重要的機械特性，這就是零信号時的機械特性，所謂零信号，就是控制電壓UC＝0，這時磁場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、轉向相反的兩個圓形旋轉磁場，其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵N—S和N—S在空間以相反方向旋轉。

當電阻已增大到使臨界轉差率＞1的程度時，合成轉矩曲線與橫軸相交僅有一點(S＝1處)，而且在電機運行範圍内，合成轉矩均為負值，即為制動轉矩。因而當控制電壓UC取消變為單相運行時，電機就立刻産生制動轉矩，與負載阻轉矩一起促使電機迅速停轉，這樣就不會産生自轉現象。

4.3伺服電機控制方式及特性

伺服電動機的機械特性

設電機的負載阻轉矩為TL，控制電壓0.25UC時,電機在特性點A運行，轉速為na，這時電機産生的轉矩與負載阻轉矩相平衡。當控制電壓升高到0.5UC時，電機産生的轉矩就随之增加C，由于電機的轉子及其負載存在着慣性，轉速不能瞬時改變，因此電機就要瞬時地在特性點C運行，這時電機産生的轉矩大于負載阻轉矩，電機就加速，一直增加到nb，電機就在B點運行。

結論：改變控制電壓的大小，就實現了轉速的控制

五 交流伺服電機的應用

5.1 伺服電機編碼器

安裝在電機後端，其轉盤（光栅）與電機同軸。

伺服電機控制精度取決于編碼器精度。

5.2伺服電機驅動器

1、主要功能

（1）根據給定信号輸出與此成正比的控制電壓UC；

（2）接收編碼器的速度和位置信号；

（3）I/O信号接口

2、外部組成

3、控制模式（取決于伺服驅動器廠家，比如西門子有一些特殊的模式）

（1）位置控制模式——最大輸入脈沖頻率500KPPS（微分接收器）和200KPPS（用于開路收集器）

（2）速度控制模式—— 模拟速度指令輸入：0～±10V/額定轉速

（3）力矩控制模式——模拟力矩指令輸入：0～±10V/最大力矩

5.3交流伺服電機系統應用

5.3.1交流伺服電機系統結構

5.3.2交流伺服電機系統使用

1 、設置參數

方法一；聯接計算機使用軟件設置

方法二；直接在驅動器面闆按鈕設置

六 伺服電機的選擇

1.6.1 功率的選擇

功率選得過大不經濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。

1. 對于連續運行的伺服電動機，所選功率應等于或略大于生産機械的功率。

2. 對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生産機械的功率。

6.1 種類和型式的選擇

1. 種類的選擇

一般自動控制應用場合應盡可能選用交流伺服電機。調速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機,如直線電機等。

2. 結構型式的選擇

根據工作方式和工作環境的條件選擇不同的結構型式，如頻繁啟停選用空心杯轉子結構的伺服電機；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機

6.2 主要性能指标的選擇

1．電壓

技術數據表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵磁電壓允許變動範圍為土5％左右。電壓太高，電機會發熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速時間增長等。伺服電動機使用時，應注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓，而且随轉速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。

控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉磁場

2．頻率

目前控制電機常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為50 HZ(或60HZ)，中頻為400HZ(或500HZ)。因為頻率越高，渦流損耗越大，所以中頻電機的鐵心用較薄的(0.2mm以下)矽鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機則用0.35～0.5mm的矽鋼片。

低頻電機不應該用中頻電源，中頻電機也不應該用低頻電源，否則電機性能會變差。

在不得已時，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要随頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機發熱可以基本上不變。例如一台500 Hz、110V的電機，如果用在400 Hz時，那末加到電機上的電壓就應改成110×400／500＝88V。

3．堵轉轉矩，堵轉電流

定子兩相繞組加上額定電壓，轉速等于0時的輸出轉矩，稱為堵轉轉矩。這時流經勵磁繞組和控制繞組的電流分别稱堵轉勵磁電流和堵轉控制電流。

堵轉電流通常是電流的最大值，可作為設計電源和放大器的依據。

4．空載轉速

定幹兩相繞組加上額定電壓，電機不帶任何負載時的轉速稱為空載轉速n0。空載轉速與電機的極數有關。由于電機本身阻轉矩的影響，空載轉速略低于同步速。

5．額定輸出功率

當電機處于對稱狀态時，輸出功率P2随轉速n變化的情況如圖78所示。當轉速接近空載轉速n0的一半時，輸出功率最大。通常就把這點規定為交流伺服電動機的額定狀态。對應這個狀态下的轉矩和轉速稱為額定轉矩Tn。和額定轉速nn。

七 西門子S7-200系列PLC編程

伺服電機的發脈沖控制

伺服電機的常用控制方法是利用PLC發送脈沖對伺服電機進行運動控制。

7.1脈沖控制的基礎

脈沖：一個周期内，一半時間高電平、一半時間低電平，稱為一個完整周期的脈沖。脈沖控制就是由一系列n個連續的脈沖，如：伺服電機的設置（H0502）為電機轉一圈需要1000個脈沖，則PLC發送給伺服電機1000個脈沖電機就會轉一圈。

圖 1個周期

圖 5個周期

兩個概念：

脈沖的周期T：一個脈沖所用的時間。

脈沖的頻率f：頻率f是周期T的倒數，脈沖的頻率值的意義是：每1秒所産生的脈沖個數。頻率值f越大，那麼每秒産生的脈沖個數越多，則電機轉的越快；頻率值f越小，那麼每秒産生的脈沖個數越少，則電機轉的越慢。

因此，脈沖的頻率值f也可以稱作脈沖的速度。

用于控制伺服電機的脈沖：

脈沖控制的關鍵點：初始速度、加速段、勻速段、減速段、停止速度。

基于西門子S7-200PLC的脈沖控制

S7-200PLC的脈沖輸出控制有兩種方式：PWM模式和PTO，PTO模式用于控制步進電機、伺服電機。

PTO發脈沖分兩種編程方式，PTO向導和一般語句編程。

PTO向導發送脈沖：

STEP1:選擇S7-200内置PTO操作。

STEP2:選擇用Q0.0或Q0.1輸出脈沖

STEP3:選擇PTO方式輸出

STEP4：設置最大脈沖速度以及啟動停止脈沖

STEP5：設置加減速段所需時間

STEP6：創建包絡

例如:繪制一個三步的脈沖運動包絡

STEP7：為運動包絡設定存儲區

STEP8：配置完成

向導配置完成後會為所選的配置生成三個子程序：

PTOx_RUN子程序（運行包絡）

PTOx_CTRL子程序（控制）

PTOx_MAN子程序（手動模式）子程序。

（1）PTOx_RUN子程序

EN位：使能

START：脈沖輸出觸發

（2）PTOx_CTRL子程序：

EN位：使能

I_STOP：立即停止

D_STOP：減速停止

（3）PTOx_MAN子程序：

EN位：使能

RUN：命令PTO加速至指定速度——Speed

小 結：交流伺服電動機主要用于自動控制系統中作為執行元件。在介紹工作原理時，引出了圓形旋轉磁場的概念。旋轉磁場的轉速稱為同步速，它由電機的極數和電源頻率所決定，關系式ns=60f/p是一個很重要的公式。

與其它電機一樣，交流伺服電動機的運行也是由于“電”和“磁”的相互作用。在圓形磁場作用下，交流伺服電動機的轉速總是低于同步速，而且随着負載的變化而變化，轉差率s就是表征電機轉速的一個很重要的物理量。

為了能方便地實現轉速控制，伺服電動機的定子繞組做成兩相繞組，并加以相移900的兩相電壓。通過改變控制電壓的值就可達到控制轉速的目的。

最後介紹了幾點在使用電機時應注意的問題和主要性能指标和技術數據，可供大家選用電機時參考。

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