伺服電機(jī)可以精確控制速度和位置，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成扭矩和轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子速度由輸入信號(hào)控制，并能快速響應(yīng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、啟動(dòng)電壓低等特點(diǎn)。它可以將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度并輸出。它分為兩類：DC伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它的主要特點(diǎn)是信號(hào)電壓為零時(shí)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著扭矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本類型

DC伺服電機(jī)有兩種，電磁的和永磁的，但大多數(shù)都是永磁的。其良好的控制性能主要得益于其特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，有幾種類型的DC伺服電機(jī)。

　　（1）普通電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

該伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力DC電機(jī)基本相同。即電磁或永磁定子，轉(zhuǎn)子由開(kāi)槽鐵芯和嵌入槽中的電樞繞組組成。但是電樞的長(zhǎng)度和直徑都比較大，也就是轉(zhuǎn)子又細(xì)又長(zhǎng)。大中型DC伺服電機(jī)一般都是這種結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品容量從幾瓦到幾百瓦甚至幾千瓦不等。同時(shí)，由于這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它具有很強(qiáng)的負(fù)載能力和很大的堵轉(zhuǎn)扭矩，因此對(duì)于大負(fù)載的伺服系統(tǒng)特別實(shí)用。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，電機(jī)的機(jī)械慣性(時(shí)間常數(shù))大，低速運(yùn)行穩(wěn)定性差，控制死區(qū)大。

　?。?）盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

這臺(tái)電機(jī)的定子是永磁體。其轉(zhuǎn)子為圓盤結(jié)構(gòu)(即長(zhǎng)徑比小于1)，電樞分為線繞式(線繞式)和印刷電路式(印刷電路式)。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，轉(zhuǎn)子重量輕，所以轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性小(通常模型的機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于30)，但堵轉(zhuǎn)力矩小。繞盤式電機(jī)容量可達(dá)幾千瓦，而印刷盤式電機(jī)容量較小。

　?。?）空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

電機(jī)轉(zhuǎn)子以空心杯狀結(jié)構(gòu)為骨架，電樞繞組放置(或印刷)在杯壁上。電樞繞組可以是繞線繞組或印刷繞組。定子是永磁型的。這種伺服電機(jī)以其最小的機(jī)械慣性、高控制靈敏度、幾乎沒(méi)有控制死區(qū)而聞名，并且其體積可以做得非常小，重量輕。但是堵轉(zhuǎn)力矩小，目前還不能做得很大，所以是微型伺服電機(jī)。

　　（4）無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

無(wú)槽電樞DC伺服電機(jī)與普通電樞DC伺服電機(jī)的唯一區(qū)別是其轉(zhuǎn)子鐵芯沒(méi)有開(kāi)槽，電樞繞組用固定膠粘在電樞表面。這種伺服電機(jī)負(fù)載能力大，堵轉(zhuǎn)力矩大，電機(jī)容量大，低速穩(wěn)定性好。

　?。?）直流伺服齒輪減速電動(dòng)機(jī)

該伺服電機(jī)是一臺(tái)微型DC電機(jī)和一套高精度齒輪減速器。DC伺服電機(jī)的輸出速度由減速機(jī)構(gòu)減速。所以這種電機(jī)最大的特點(diǎn)是可以輸出極低的速度(低至每分鐘十分之幾轉(zhuǎn))，低速運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)。特別適合低速大扭矩系統(tǒng)。

　?。?）直流力矩電動(dòng)機(jī)

DC力矩電機(jī)是一種低速大力矩的伺服電機(jī)。它可以直接拖動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)需中間減速機(jī)構(gòu)，甚至可以鎖定旋轉(zhuǎn)工作，無(wú)爬行現(xiàn)象，穩(wěn)速精度高。所以特別適合那些經(jīng)常低速使用，負(fù)載能力要求相當(dāng)大的場(chǎng)合。DC力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通電樞DC伺服電機(jī)相同。它的定子有大量的主磁極(通常是6個(gè)。8極)，一般做成水平組織，電樞長(zhǎng)徑比一般只有0.2左右(即外觀為圓盤狀)。它有兩種結(jié)構(gòu)：內(nèi)置型和分體封裝型。內(nèi)置電機(jī)由制造商像通用電機(jī)一樣組裝成一個(gè)整體。定子、轉(zhuǎn)子和電刷與工廠分開(kāi)，使用時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)組裝。轉(zhuǎn)子直接套在負(fù)載軸上，外殼可根據(jù)需要選擇。

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性分析

電樞電壓控制的DC伺服電機(jī)電樞等效電路如圖1所示。

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　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為

　　Ea=Ua-IaRa? （6-1）

　　式中，Ea是電樞反電動(dòng)勢(shì)； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。

　　轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中以角速度ω切割磁力線時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)Ea與角速度ω之間存在如下關(guān)系：

　　Ea=CeΦω （6-2）

　　式中，Ce是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φ是定子磁場(chǎng)中每極的氣隙磁通量。

　　由式（6-1）、式（6-2）得

　　Ua-IaRa=CeΦω（6-3）

　　此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá)：

　　Tm=CmΦIa

　　則 Tm=CmΦIn

　　式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　將式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式

　　由此可以得出空載（ Tm＝0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計(jì)）和電機(jī)啟動(dòng)（ω＝0）時(shí)的電機(jī)特性：

　?。?）當(dāng)Tm＝0時(shí)，有

　?。?）當(dāng)ω＝0時(shí)，有

　　式中，Td稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。?

　　如果把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω=f（Tm），則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為

　　如果把角速度ω看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即ω=f（Ua），則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式

　　根據(jù)式（6-8）和式（6-9），給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線如圖2、圖3所示。

　　由圖2可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機(jī)械特性和一種電樞電壓相對(duì)應(yīng)，與ω軸的交點(diǎn)是該電樞電壓下的理想空載角速度，與Tm軸的交點(diǎn)則是該電樞電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

　　由圖3可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，與Ua軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的電樞電壓。?

　　從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說(shuō)明在一定的負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機(jī)械特性的斜率為負(fù)，說(shuō)明在電樞電壓不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。

　　影響直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的因素

　　對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的分析是在理想條件下進(jìn)行的，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦及負(fù)載的變動(dòng)等因素都對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性有著不容忽略的影響。

　?。?1 ）驅(qū)動(dòng)電路對(duì)機(jī)械特性的影響

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)是由驅(qū)動(dòng)電路供電的，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻是Ri，加在電樞繞組兩端的控制電壓是Uc，則可畫出如圖1所示的電樞等效回路。在這個(gè)電樞等效回路中，電壓平衡方程式為

　　Ea=Uc-Ia（Ra+Ri） （6-10）

　　于是在考慮了驅(qū)動(dòng)電路的影響后，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式變成

　　由于驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Ri的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了，圖1給出了驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻影響下的機(jī)械特性。

　　如果直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較平緩，則當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化較小，這時(shí)稱直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬。反之，如果機(jī)械特性較陡，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化就較大，則稱其機(jī)械特性較軟。顯然，機(jī)械特性越硬，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)；機(jī)械特性越軟，負(fù)載能力越低。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其機(jī)械特性越硬越好。由圖1可知，由于功放電路內(nèi)阻的存在而使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設(shè)計(jì)直流伺服電動(dòng)機(jī)功放電路時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。

　?。?） 直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

　　由圖1可知，直流伺服電動(dòng)機(jī)在理想空載時(shí)（即Tm1=0），其調(diào)節(jié)特性曲線從原點(diǎn)開(kāi)始。但實(shí)際上直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在摩擦（如轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要克服一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此啟動(dòng)時(shí)電樞電壓不可能為零。這個(gè)不為零的電壓稱為啟動(dòng)電壓，用Ub表示，如圖2所示。

　　（3） 負(fù)載變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

　　由式（6-5）知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度與電樞電壓成線性關(guān)系。但在實(shí)際伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變動(dòng)的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程中的切削力也是隨進(jìn)給速度變化而變化的。這時(shí)由于負(fù)載的變動(dòng)將導(dǎo)致調(diào)節(jié)特性的非線性，如圖2所示?？梢?jiàn)，由于負(fù)載變動(dòng)的影響，當(dāng)電樞電壓Ua增加時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度ω的變化率越來(lái)越小，這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時(shí)應(yīng)格外注意。