伺服電機是控制伺服系統(tǒng)中機械元件運行的發(fā)動機，是輔助電機的間接變速裝置。伺服電機可以精確控制速度和位置，并將電壓信號轉(zhuǎn)換成扭矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)動被控對象。伺服電機轉(zhuǎn)子速度由輸入信號控制，并能快速響應(yīng)。在自動控制系統(tǒng)中，它作為執(zhí)行機構(gòu)，具有機電時間常數(shù)小、線性度高、啟動電壓低等特點。它可以將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度并輸出。它分為兩類：DC伺服電機和交流伺服電機。它的主要特點是信號電壓為零時，沒有旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著扭矩的增加而勻速下降。

　　1、直流伺服電動機

事實上，DC伺服電機是一個單獨激勵的DC電機。它的結(jié)構(gòu)和原理與普通的單獨勵磁DC電機相同，只是DC伺服電機的輸出功率小。

電樞控制：向電樞繞組施加控制信號，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子速度的大小和方向；磁場控制：控制信號施加到勵磁繞組進行控制。

當DC伺服電機處于電樞控制時，電樞繞組為控制繞組，控制電壓直接施加到電樞繞組上進行控制。勵磁方式有兩種：一種是用勵磁繞組用DC電流勵磁，稱為電磁DC伺服電機；另一種使用永磁體作為磁極，省略了勵磁繞組，稱為永磁DC伺服電機。

(1)機械特性

當控制電壓Uc改變時，機械特性的斜率不變，所以其機械特性是一組平行的直線。

(2)調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性是指在一定轉(zhuǎn)矩下電機轉(zhuǎn)速n和控制電壓Uc之間的關(guān)系。

從調(diào)節(jié)特性可以看出，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如加強控制信號Uc，DC伺服電機轉(zhuǎn)速增大，呈正比例關(guān)系；相反，當控制信號Uc減弱到一定值時，U1的DC伺服電機停止轉(zhuǎn)動，即當控制信號Uc小于U1時，電機被鎖定，控制信號Uc必須大于U1才能使電機轉(zhuǎn)動，所以U1稱為啟動電壓。

電樞控制下的DC伺服電機的機械特性和調(diào)節(jié)特性是線性的，不存在“旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

　　2、交流伺服電動機

交流伺服電機實際上是兩相異步電機，所以有時也叫兩相伺服電機。電機定子上有兩相繞組，一相稱為勵磁繞組F，接交流勵磁電源Uf，另一相為控制繞組C，接控制電壓Uc。兩個繞組在空間上相差90度，激勵電壓Uf和控制電壓Uc具有相同的頻率。

交流伺服電機的工作原理與單相異步電機相似。當交流伺服電機的勵磁繞組連接到勵磁電流Uf時，如果施加到控制繞組的控制電壓Uc為0(即沒有控制電壓)，則產(chǎn)生脈沖磁場，電機沒有啟動轉(zhuǎn)矩。

當由控制繞組施加的控制電壓不是0，并且產(chǎn)生的控制電流的相位不同于激勵電流時，建立橢圓旋轉(zhuǎn)

磁場(如果ic和If的相位差為90，則為圓形旋轉(zhuǎn)磁場)，于是產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果電機參數(shù)與普通單相異步電機相同，當控制信號消失時，電機轉(zhuǎn)速會下降

，但仍會繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。

　　可以通過增加轉(zhuǎn)子電阻的辦法來消除“自轉(zhuǎn)”。

　　直流伺服電動機的驅(qū)動模塊

　　由于直流伺服電動機實際上就是一臺小容量的他勵直流電動機，因此，普通直流電動機的各種驅(qū)動模塊實際上均可用來驅(qū)動直流伺服電動機。但是，一般而言，直流伺服電動機的容量遠小于普通驅(qū)動用直流電動機，即電樞驅(qū)動容量較小，而普通直流電動機的驅(qū)動模塊通常都是應(yīng)用于中大容量的電動機作為電力驅(qū)動。另外，作為伺服電動機由于其控制的線性度、靈敏性和快速性等的特殊要求，對驅(qū)動模塊的動靜態(tài)特性也有相應(yīng)的要求。因此，直流伺服電動機往往需要有自己專門的驅(qū)動模塊。適用于直流伺服電動機的典型驅(qū)動電路實際上是一種直流線性功率放大器，它將直流控制信號直接進行電壓和功率放大而驅(qū)動直流伺服電動機，如圖1所示。因此，直流伺服電動機的驅(qū)動模塊又叫做直流伺服放大模塊。

　?。?）直流伺服電動機驅(qū)動模塊的基本形式及原理

　　原理上，直流伺服電動機驅(qū)動模塊也由功率電路和控制電路兩部分構(gòu)成。而功率電路原理上有兩種基本形式，這兩種基本形式分別叫電壓控制型（DSMDRV）和電流控制型（DSMDRC）。

　?。?）用功率電子器件構(gòu)成的驅(qū)動模塊DSMDR

　　用功率電子器件可以構(gòu)成一種帶限流功能的電壓控制型雙向驅(qū)動模塊，

　?。?）用功率集成電路構(gòu)成DSMDR驅(qū)動模塊

　　由于直流伺服電動機通常是低電壓小功率。因此，可以采用一些通用功率集成電路構(gòu)成直流伺服放大器直接驅(qū)動直流伺服電動機。此外，目前市場上已有專用于驅(qū)動直流伺服電動機的專用功率集成電路。這種集成電路具有很大的輸出電流能力且用它們構(gòu)成直流伺服放大器非常簡單和容易。

　　控制信號由計算機控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅(qū)動直流伺服電動機。

　　功放電路又稱功率放大器，目前主要有兩種：

　?。?）晶閘管功率放大器

　?。?）晶體管脈沖寬度調(diào)制（PWM）功率放大器。

　　1、PWM晶體管功率放大器的工作原理

　?。?）電壓—脈寬變換器

　　作用：根據(jù)控制指令信號對脈沖寬度進行調(diào)制，用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對電樞繞組兩端電壓的控制。

　?。?）開關(guān)功率放大器

　　作用：對電壓—脈寬變換器輸出的信號Us進行放大，輸出具有足夠功率的信號Up，以驅(qū)動直流伺服電動機。

　　開關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。

　　2、PWM晶體管功率放大器的數(shù)學模型

　　如果忽略功放電路中晶體管的導(dǎo)通壓降，則UP的幅值與電源電壓UC相等。設(shè)三角波周期為T，US的正脈沖寬度為TP，則一個周期內(nèi)電樞繞組兩端的電壓Ua為：

　　展開成傅里葉級數(shù)，得：

　　由于晶體管的切換頻率（即Us的頻率）通常高于1000Hz，比直流伺服電動機的頻帶高得多，因而所有的諧波（即交流分量）都將被電動機的低通濾波作用所衰減掉。這樣，式中的交流分量可忽略，從而簡化為Ua=2UcUi/UTpp?？紤]到PWM晶體管功率放大器所具有的限幅特性，可得到其數(shù)學模型如下：

　　3、設(shè)計功放電路時應(yīng)注意的問題

　　切換頻率的選擇

　?。?）切換頻率應(yīng)使電動機軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運行特性，但微振的最大角位移不應(yīng)大于允許的角位置誤差。

　　（2）切換頻率應(yīng)選得足夠高，以使電動機電樞感抗足夠大，減小電動機內(nèi)產(chǎn)生的高頻功耗和交流分量的影響。

　　（3）切換頻率應(yīng)高于系統(tǒng)中任一部件的諧振頻率，以防止共振產(chǎn)生。

　　大功率晶體管的選擇

　　大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其允許的開關(guān)頻率一定要大于切換頻率，而且開關(guān)特性要好，導(dǎo)通后的壓降要小，反向耐壓要高，以保證驅(qū)動電路和電動機性能的發(fā)揮。