伺服電機的基本特性及運用

隨著工業(yè)自動化水平越來越高，伺服電機在工業(yè)現(xiàn)場應用也越來越廣泛。本文從伺服電機基礎知識出發(fā)，介紹了伺服電機的定義、構成和基本原理；同時也將伺服電機對軸承的要求進行了專業(yè)的介紹。

01DEFINITION

伺服電機的定義與特性

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中驅(qū)動機械元件運轉的電動機，是精密運動控制中一種可控的，進行機電能量轉換和信號轉換的機械電磁裝置。

伺服電機轉子軸，可在受控狀態(tài)下非常準確的復現(xiàn)上位機要求的位置、速度和轉矩命令，以驅(qū)動負載對象。伺服電機在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、過載能力強、線性度高等特性。

01性能好

采用高性能的釹鐵硼勵磁，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗小，且轉子參數(shù)可測、控制性能更好；機電時間常數(shù)小、線性度高。

02效率高不需要無功勵磁電流，功率因數(shù)高，銅損小，發(fā)熱小，效率高；在很高的速度和負載范圍內(nèi)都能保持較高的輸出效率；過載能力強。

02CONSTITUTE

伺服電機的構成

定子設計：

1、SM系列伺服采用了分瓣實鐵芯結構設計，超高槽滿率，降低發(fā)熱，提高輸出功率2、定子采用鋁機殼、真空環(huán)氧灌封設計，最大限度提高了電機的散熱能力3、真空環(huán)氧灌封設計，提高了電機的絕緣能力，并有效的保護電機繞組，使得電機能夠適應惡劣的應用環(huán)境轉子設計：

1、高磁能級磁鋼有效提高電機輸出轉矩2、分段錯位磁鋼結構，有效減少齒槽轉矩，使電機運轉平穩(wěn)，易于速度控制和精確定位3、轉子平衡塊使得電機高速運轉更平穩(wěn)

抱閘設計：

抱閘是機器人電機的基本選項。近乎95%以上的伺服電機需要抱閘，要確保時刻抱閘，尤其在緊急停車時可靠運行，抱閘需要有足夠的安全系數(shù)，靜扭矩大約在電機額定扭矩的1.5倍左右，重載型機器人電機抱閘的安全系數(shù)要達到2.0甚至2.5倍。有一點需要注意的是，機器人電機的抱閘是安全制動器，不是剎車制動器，控制上要確保在急停狀態(tài)下通過制動電阻讓伺服驅(qū)動器的剎車電路工作，電機轉速接近0的時候抱閘動作。為了提高抱閘的響應速度，永磁抱閘優(yōu)于電磁彈簧抱閘。

編碼器設計：

編碼器安裝于電機尾端，是屬于電機速度和轉子位置傳感器。可以測量轉子的位置用于伺服控制磁場定位和轉子實際位置和速度給控制電腦，用于運動軌跡計算。機器人電機編碼器一般精度不高，但需要多圈絕對位置可測量，保證斷電之后，再次運行，斷電前面的位置可以記憶。目前流行三種方式解決機器人電機編碼器的問題。第一種方式是單圈采用格雷碼光電或磁碼盤，多圈采用機械齒輪。這樣的好處是測量精度高，斷電后約會通過編碼器的機械位置記住電機的運行位置，上電后直接讀取即可，但缺點是編碼器太厚，在有限的安裝空間下就顯得過分長。第二種是單圈信心通過光電或磁編格雷碼記憶，多圈通過電池供電電子記憶，這樣就可以把編碼器做得很短，對外方小于60mm的小伺服電機非常適合。缺點是電池的使用壽命比較短，長則2-3年，有的1年就要更換電池。第三種方式是精度要求不高的場合才使用的旋轉變壓器測量單圈位置，多圈信息通過在控制箱里的帶電池電路板完成。

03BEARING

伺服電機對軸承的要求

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軸承：

1：精密度高：穩(wěn)定和高精度的電機軸承尺寸公差可以讓電機軸承與各部件間完美地配合。2：高轉速，旋轉靈活。電機要求所用的電機軸承有很高的轉速，馳創(chuàng)軸承可以滿足要求。3：低噪音 ，馬達要求所用的電機軸承噪音足夠小，馳創(chuàng)軸承每一個電機軸承都通過噪音測試。4：低摩擦，完整的加工工藝及適量的潤滑使電機軸承在運轉中能夠盡可能的減少摩擦及阻力，使電機軸承能夠無憂運轉。5：長壽命：伺服電機的壽命和軸承密切相關，由于機器人對可靠性和耐用性的要求，軸承要確保至少30000小時的使用壽命。按照8小時工作制折算，機器人的使用壽命至少在10年以上，軸承的轉速要確保6000rpm可以持續(xù)工作。

04FAILURE MODE伺服電機失效模式

失效模式一：安裝不當造成前期損傷

不良檢討——不良安裝、軸承受軸向力沖擊

注：伺服電機安裝過程禁止使用鐵榔頭敲擊，較大的軸向力會對軸承內(nèi)外圈溝道或鋼球表面造成損傷。

注：由于轉子軸及定子均存在磁力且中大型伺服電機磁力較大，安裝過程安裝人員（新員工不熟練，轉子軸直接吸入定子中，存在傾斜、吸力大且不規(guī)則等現(xiàn)象，造成軸承損傷，電機異響。

失效模式二：電腐蝕失效

所謂電蝕是指電流在循環(huán)轉重的軸承滾道輪和滾動體的接觸部分流動時、通過薄薄的潤滑油膜發(fā)出火花、其表面出現(xiàn)局部的熔融和凹凸現(xiàn)象。（機理：內(nèi)外圈之間存在電位差）

失效模式三：運輸導致的微動磨損失效

微動磨損失效特征：對鋼球與內(nèi)溝道接觸面上的法向變形、切向變形以及滑動進行理論分析，并對徑向加載的球軸承進行往復擺動試驗，發(fā)現(xiàn)在擺角較小時，切向滑動為微動磨損的主因; 隨著擺角增大，微動磨損則主要由重復的滑動引起。切向滑動引起的損傷在接觸區(qū)的周圍; 滑動引起的損傷在接觸區(qū)兩端，接觸面中心受力最大的部分未受損傷，且內(nèi)圈損傷比外圈損傷嚴重得多。