(4.2.1)-4.2伺服電機(jī)工業(yè)機(jī)器人

第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件4.2伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可以控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件4.2伺服電機(jī)伺服系統(tǒng)(servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。機(jī)器人對(duì)直流伺服電機(jī)的基本要求：寬廣的調(diào)速范圍機(jī)械特性和調(diào)速特性均為線性無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象（控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)）快速響應(yīng)好直流伺服電機(jī)兩種類型：傳統(tǒng)型和低慣量型。傳統(tǒng)型就是微型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子組成。按定子磁極的種類分為兩種，永磁式和電磁式。永磁式的磁極是永久磁鐵；電磁式的磁極是電磁鐵，磁極外面套著勵(lì)磁繞組。低慣量型的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子輕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小快速響應(yīng)好。按照電樞型式的不同分為三種，盤(pán)形電樞直流伺服電機(jī)、空心杯電樞永磁式直流伺服電機(jī)無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)。4.2.1直流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件——電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；R——電樞電阻；——直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)結(jié)構(gòu)常數(shù)；——轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù)。——磁通；T——轉(zhuǎn)矩；直流伺服電機(jī)最常用的控制方式是電樞控制。電樞控制就是把電樞繞組作為控制繞組，電樞電壓作為控制電壓，而勵(lì)磁電壓恒定不變。通過(guò)改變控制電壓來(lái)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在電樞控制方式下，直流伺服電機(jī)的主要靜態(tài)特性是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。(1)．機(jī)械特性

直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式如下：直流伺服電機(jī)機(jī)械特性4.2.1直流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件(2)．調(diào)節(jié)特性當(dāng)T一定時(shí)，控制電壓高則轉(zhuǎn)速也高，轉(zhuǎn)速的增加于控制電壓的增加成正比，這是理想的調(diào)節(jié)特性。T=T1時(shí)，始動(dòng)電壓為U1。一般把調(diào)節(jié)特性曲線上橫坐標(biāo)從零到始動(dòng)電壓這一范圍稱為失靈區(qū)。在失靈區(qū)以內(nèi)，即使電樞有外加電壓，電機(jī)也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

直流伺服電機(jī)調(diào)節(jié)特性

4.2.1直流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件直流電機(jī)本身存在不足：機(jī)械接觸式換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花；換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高；電刷易于磨損；不適于有粉塵、腐蝕性氣體和易燃易爆氣體的場(chǎng)合；對(duì)于一些大功率的輸出要求不能滿足要求。直流伺服電機(jī)4.2.1直流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉；而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠；很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；機(jī)器人領(lǐng)域逐漸有代替直流伺服電機(jī)趨勢(shì)。交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子鐵心中安放著空間互成90度電角度的兩相繞組，一組為激磁繞組，一組為控制繞組。交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uc。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。4.2.2交流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求激磁電壓Uf和控制電壓Uc之間，應(yīng)有90度的相位差。常用的方法有：1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相；2）利用三相電源的任意線電壓采用移相網(wǎng)絡(luò)；3）在激磁相中串聯(lián)電容器。4.2.2交流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件(1)．交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)交流伺服電機(jī)為兩相異步電動(dòng)機(jī)，一相為勵(lì)磁繞組，一相為控制繞組。交流伺服電機(jī)也必須具有寬廣的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性和快速響應(yīng)等性能，除此以外，還應(yīng)無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。當(dāng)控制電壓Uc=0時(shí)，電機(jī)應(yīng)當(dāng)停止旋轉(zhuǎn)，而實(shí)際情況是，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)，兩相異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)后，若Uc=0，電動(dòng)機(jī)便成為單項(xiàng)異步電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，并不停轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了所謂的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，使自動(dòng)控制系統(tǒng)失控。4.2.2交流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件(2)．交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子有三種結(jié)構(gòu)形式：高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子、非磁性空心杯轉(zhuǎn)子和鐵磁性空心轉(zhuǎn)子。（a）高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的SL系列的交流伺服電機(jī)就是采用這種結(jié)構(gòu)。4.2.2交流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件（b）非磁性空心杯轉(zhuǎn)子在外定子鐵心槽中放置空間相距90o的兩相分布繞組；內(nèi)定子鐵心由硅鋼片疊成，不放繞組，僅作為磁路的一部分；由鋁合金制成的空心杯轉(zhuǎn)子置于內(nèi)外定子鐵心之間的氣隙中，并靠其底盤(pán)和轉(zhuǎn)軸固定;采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm；為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子;空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。（c）鐵磁性空心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子采用鐵磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身既是主磁通的磁路，又作為轉(zhuǎn)子繞組；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但當(dāng)定子、轉(zhuǎn)子氣隙稍微不均勻時(shí)，轉(zhuǎn)子就容易因單邊磁拉力而被“吸住”;目前應(yīng)用較少。4.2.2交流伺服電機(jī)第四章：機(jī)器人關(guān)鍵部件交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有：較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”