淺議伺服電機(jī)的安裝與調(diào)試

周俊

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

伺服電機(jī)是一種線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，為閉環(huán)位置控制應(yīng)用提供快速精確的位置控制。與大型工業(yè)電機(jī)不同，伺服電機(jī)不用于連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換。伺服電機(jī)由于慣性低而具有高速響應(yīng)，并且設(shè)計(jì)成小直徑和長(zhǎng)轉(zhuǎn)子。其工作原理是利用位置反饋來(lái)控制電機(jī)的速度和最終位置的伺服機(jī)構(gòu)。在內(nèi)部，一個(gè)伺服電機(jī)結(jié)合了電機(jī)、反饋電路、控制器和其他電子電路。

它使用編碼器或速度傳感器來(lái)提供速度反饋和位置。該反饋信號(hào)與輸入指令位置（與負(fù)載相對(duì)應(yīng)的電機(jī)期望位置）進(jìn)行比較，并產(chǎn)生誤差信號(hào)（如果它們之間存在差異）。誤差檢測(cè)器輸出的誤差信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，誤差檢測(cè)器之后的伺服放大器提高了誤差信號(hào)的電壓和功率水平，然后將電機(jī)的軸轉(zhuǎn)到所需位置。

1 伺服電機(jī)類(lèi)型

伺服電機(jī)的類(lèi)型根據(jù)其應(yīng)用分為不同的類(lèi)型，如交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。評(píng)估伺服電機(jī)有三個(gè)主要考慮因素。首先基于它們的電流類(lèi)型——交流或直流，其次是使用的換向類(lèi)型，電機(jī)是否使用電刷，第三類(lèi)考慮因素是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，即轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)是同步還是異步。交流或直流考慮是根據(jù)電機(jī)將使用的電流類(lèi)型對(duì)其進(jìn)行的最基本分類(lèi)。從性能的角度來(lái)看，交流和直流電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于控制速度的固有能力。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，速度與恒定負(fù)載下的電源電壓成正比。而在交流電機(jī)中，速度由應(yīng)用電壓的頻率和磁極的數(shù)量決定。雖然交流和直流電動(dòng)機(jī)都用于伺服系統(tǒng)，但交流電動(dòng)機(jī)能承受更高的電流，更常用于伺服應(yīng)用，如機(jī)器人、在線(xiàn)制造和其他需要高重復(fù)性和高精度的工業(yè)應(yīng)用。有刷或無(wú)刷是下一個(gè)步驟。直流伺服電機(jī)使用換向器用電刷進(jìn)行機(jī)械換向，或用電子方式進(jìn)行無(wú)刷換向。有刷電機(jī)通常價(jià)格較低，操作簡(jiǎn)單，而無(wú)刷設(shè)計(jì)更可靠，效率高，噪音小。換向器是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電氣開(kāi)關(guān)，定期扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)電路之間的電流方向。它由一個(gè)圓柱體組成，由轉(zhuǎn)子上的多個(gè)金屬觸點(diǎn)段組成。兩個(gè)或多個(gè)由碳等軟性導(dǎo)電材料制成的被稱(chēng)為“電刷”的電觸點(diǎn)壓在換向器上，在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與換向器的各部分形成滑動(dòng)接觸。雖然伺服系統(tǒng)中使用的大多數(shù)電機(jī)是交流無(wú)刷設(shè)計(jì)，但有刷永磁電機(jī)有時(shí)也被用作伺服電機(jī)，因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單且成本低。伺服應(yīng)用中最常見(jiàn)的有刷直流電機(jī)是永磁直流電機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子方式取代物理電刷和換向器來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，通常是通過(guò)使用霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器。交流電機(jī)通常是無(wú)刷的，盡管有一些設(shè)計(jì)，如通用電機(jī)，它可以在交流或直流電上運(yùn)行，確實(shí)有電刷，并且是機(jī)械換向的。

最后要考慮的分類(lèi)是伺服電機(jī)應(yīng)用是否會(huì)使用同步或異步旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。雖然直流電動(dòng)機(jī)通常被分為有刷和無(wú)刷，但交流電動(dòng)機(jī)更多的是通過(guò)其同步或異步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度來(lái)區(qū)分的。在交流電機(jī)中，速度由電源電壓的頻率和磁極的數(shù)量決定。這個(gè)速度被稱(chēng)為同步速度。因此，在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同。然而，在異步電機(jī)中，通常被稱(chēng)為感應(yīng)電機(jī)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度要比定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)慢。然而，異步電動(dòng)機(jī)的速度可以利用幾種控制方法來(lái)改變，如改變極數(shù)和改變頻率。

直流伺服電機(jī)的工作原理是由四個(gè)主要部件組成的，一個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)位置感應(yīng)裝置、一個(gè)齒輪組件和控制電路。直流電動(dòng)機(jī)的理想速度是基于所施加的電壓。為了控制電機(jī)速度，一個(gè)電位器產(chǎn)生一個(gè)電壓，作為誤差放大器的輸入之一。在一些電路中，控制脈沖被用來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于電機(jī)所需位置或速度的直流參考電壓，并將其應(yīng)用于脈沖寬度電壓轉(zhuǎn)換器。脈沖的長(zhǎng)度決定了施加在誤差放大器上的電壓，作為產(chǎn)生期望速度或位置的期望電壓。

對(duì)于數(shù)字控制，PLC或其他運(yùn)動(dòng)控制器用于生成占空比的脈沖，以產(chǎn)生更精確的控制。反饋信號(hào)傳感器通常是一個(gè)電位器，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與電機(jī)軸的絕對(duì)角度相對(duì)應(yīng)的電壓。然后，反饋電壓值被施加在誤差比較器放大器的輸入端。放大器將由電位器反饋產(chǎn)生的電機(jī)當(dāng)前位置的電壓與電機(jī)的期望位置進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)電壓的誤差。這個(gè)誤差電壓被施加到電機(jī)的電樞上。隨著誤差的增加，施加到電機(jī)電樞上的輸出電壓也會(huì)增加。只要誤差存在，比較器放大器就會(huì)放大誤差電壓并相應(yīng)地給電樞供電。電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到誤差變?yōu)榱?。如果誤差為負(fù)值，電樞電壓就會(huì)逆轉(zhuǎn)，因此電樞就會(huì)朝相反的方向旋轉(zhuǎn)。交流伺服電機(jī)的工作原理是基于兩種不同類(lèi)型的交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)，它們是同步和異步（感應(yīng)）。同步交流伺服電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由一個(gè)圓柱形框架和定子鐵芯組成。電樞線(xiàn)圈繞在定子鐵芯上，線(xiàn)圈與一根導(dǎo)線(xiàn)相連，電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)提供給電機(jī)。轉(zhuǎn)子由永磁體組成，與異步感應(yīng)型轉(zhuǎn)子不同的是，轉(zhuǎn)子中的電流是由電磁力感應(yīng)的，因此這些類(lèi)型被稱(chēng)為無(wú)刷伺服電機(jī)。當(dāng)定子磁場(chǎng)被電壓激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子以相同的速度跟隨定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，或與定子的激勵(lì)磁場(chǎng)同步，這就是同步型的由來(lái)。有了這種永磁轉(zhuǎn)子，就不需要轉(zhuǎn)子電流，所以當(dāng)定子磁場(chǎng)脫能和停止時(shí)，轉(zhuǎn)子也會(huì)停止。由于沒(méi)有轉(zhuǎn)子電流，這些電機(jī)的效率更高。

當(dāng)需要轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置時(shí)，編碼器被放置在轉(zhuǎn)子上并向伺服電機(jī)控制器提供反饋。異步或感應(yīng)交流伺服電機(jī)的定子由定子鐵芯、電樞繞組和導(dǎo)線(xiàn)組成，轉(zhuǎn)子由軸和轉(zhuǎn)子鐵芯繞組組成。大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)元件，即轉(zhuǎn)子或鼠籠。只有定子繞組是由交流電源供給的。在交流電源的作用下，定子繞組周?chē)a(chǎn)生交變磁通場(chǎng)。這個(gè)交變磁通場(chǎng)以同步速度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的磁通被稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（RMF）。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間的相對(duì)速度會(huì)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電磁力。這與變壓器中發(fā)生的作用相同?，F(xiàn)在，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流也將在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)交變的磁通場(chǎng)。這個(gè)轉(zhuǎn)子磁通滯后于定子磁通。轉(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)的定子磁通場(chǎng)有關(guān)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁通的旋轉(zhuǎn)方向相同。轉(zhuǎn)子不能成功地追上定子磁通的速度或不同步，因此產(chǎn)生了異步的類(lèi)型。

2 伺服電機(jī)組成

伺服意味著一種誤差感應(yīng)反饋控制，用來(lái)糾正系統(tǒng)的性能。它還需要一個(gè)復(fù)雜的控制器，通常是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用模塊。伺服電機(jī)是允許精確控制角度位置的電機(jī)。它們是電動(dòng)機(jī)，其速度由齒輪慢慢降低。伺服電機(jī)通常有一個(gè)從90°～180°的旋轉(zhuǎn)切斷。少數(shù)伺服電機(jī)也有360°或更多的旋轉(zhuǎn)截止點(diǎn)。但是，伺服電機(jī)并不持續(xù)旋轉(zhuǎn)。它們的旋轉(zhuǎn)被限制在固定的角度之間。伺服電機(jī)是由四樣?xùn)|西組成的：一個(gè)普通的電動(dòng)機(jī)、一個(gè)齒輪減速裝置、一個(gè)位置感應(yīng)裝置和一個(gè)控制電路。電動(dòng)機(jī)與一個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)相連，該機(jī)構(gòu)向位置傳感器提供反饋，而位置傳感器主要是一個(gè)電位器。從齒輪箱，電機(jī)的輸出通過(guò)伺服花鍵輸送到伺服臂。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的伺服電機(jī)，齒輪通常是由塑料構(gòu)成的，而對(duì)于高功率的伺服電機(jī)，齒輪是由金屬構(gòu)成的。伺服電機(jī)由三條線(xiàn)組成，一條黑線(xiàn)連接到地面，一條白/黃線(xiàn)連接到控制單元，一條紅線(xiàn)連接到電源。伺服電機(jī)的功能是接收代表伺服軸所需輸出位置的控制信號(hào)，并向其電機(jī)供電，直到其軸轉(zhuǎn)到該位置。它使用位置感應(yīng)裝置來(lái)計(jì)算軸的旋轉(zhuǎn)位置，因此它知道電機(jī)必須轉(zhuǎn)到哪個(gè)方向才能將軸移到指示位置。軸通常不會(huì)像電動(dòng)機(jī)那樣自由旋轉(zhuǎn)，而是可以只轉(zhuǎn)200度。從轉(zhuǎn)子的位置，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)被創(chuàng)造出來(lái)以有效地產(chǎn)生扭矩。電流在繞組中流動(dòng)，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。軸傳遞電機(jī)的輸出功率。負(fù)載通過(guò)傳輸機(jī)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)。高功能稀土或其他永久磁鐵被安置在軸的外部。光電編碼器始終觀(guān)察旋轉(zhuǎn)的次數(shù)和軸的位置。

3 伺服電機(jī)的安裝

在我們開(kāi)始安裝伺服電機(jī)之前，我們需要明白安裝伺服電機(jī)的原因和目的。伺服電機(jī)只在接收命令時(shí)才持續(xù)工作。這顯然被視為一種節(jié)能器，可以節(jié)省近70%的能源。不僅如此，伺服電機(jī)還能更好地控制過(guò)程，也確實(shí)適合行業(yè)內(nèi)的新人，因?yàn)槠渌俣瓤梢钥刂?，使得設(shè)備工作的過(guò)程更加順暢。

首先我們需要收集工具，不了解和安排所需的工具和設(shè)備可能會(huì)讓整個(gè)安裝進(jìn)度多花費(fèi)一個(gè)小時(shí)。在開(kāi)始之前，有必要先了解一下這些工具并收集它們。一把可調(diào)節(jié)扳手，可調(diào)式扳手用于擰緊或松開(kāi)螺栓和螺母。一把平頭螺絲刀，平頭螺絲刀有一個(gè)楔形的平頭，主要用于擰緊或松開(kāi)頭部有直線(xiàn)型凹槽的螺栓。一把星頭螺絲刀，星形頭螺絲刀可以確保螺絲被打直。一把內(nèi)六角扳手，內(nèi)六角頭可以用內(nèi)六角鑰匙，是一種簡(jiǎn)單的裝置，用于驅(qū)動(dòng)頭部有內(nèi)六角工具的螺栓和螺釘。一把錘子，一個(gè)迷你錘子將有助于拆卸頑固的螺母和螺栓。將伺服電機(jī)從包裝中拿出來(lái)，收集所有散落的碎片。從V型皮帶輪或齒輪中選擇一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。把皮帶輪放在伺服系統(tǒng)內(nèi)，并使其與給定的螺母保持一致。不要把皮帶輪的蓋子擰得太緊，因?yàn)閺拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可能會(huì)給后期調(diào)整帶來(lái)麻煩。找到螺栓并將其安裝到機(jī)器左側(cè)的孔中。確保墊圈已經(jīng)固定，螺栓足夠緊。使用螺栓槽，在穿好螺母后放置發(fā)動(dòng)機(jī)。第三個(gè)螺栓必須在載體的另一側(cè)，必須與墊圈、螺栓和螺母一起操作。用手指擰緊螺母將提供一個(gè)松散的配合，可能有助于下一步的工作。同時(shí)必須把電機(jī)放在與皮帶相稱(chēng)的位置上，由于這一步，手指擰緊三個(gè)安裝螺母是必不可少的。安裝時(shí)需要同步調(diào)整電機(jī)的位置，使其與皮帶槽的槽口相一致。不斷改進(jìn)位置，直到它與皮帶輪在同一直線(xiàn)上。當(dāng)它按照正確的方式，固定螺栓。找到皮帶槽，將皮帶插入其周?chē)??？梢酝ㄟ^(guò)安裝在皮帶槽上進(jìn)行調(diào)整，找到最合適的位置。如果皮帶松了，就把電機(jī)往后移，調(diào)整張力；如果皮帶太緊，就做完全相反的事，把電機(jī)往前移。最后，使皮帶和皮帶蓋站成一條線(xiàn)。將聯(lián)動(dòng)桿的螺栓與來(lái)自電機(jī)的杠桿放在一起，用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備固定。反復(fù)校核幾次，以確保它的位置正確，最終確保對(duì)電機(jī)速度的控制。

安裝電機(jī)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

（1）在電機(jī)周?chē)舫鲎銐虻拈g隙，使其保持在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)。需要參照伺服電機(jī)操作手冊(cè)中的接收和維護(hù)信息，了解工作范圍。除非有強(qiáng)制空氣吹過(guò)電機(jī)進(jìn)行冷卻，否則不要將電機(jī)圍起來(lái)。風(fēng)扇吹過(guò)電機(jī)會(huì)提高其性能。讓其他產(chǎn)生熱量的設(shè)備遠(yuǎn)離電機(jī)。

（2）根據(jù)伺服電機(jī)制造廠(chǎng)商提供的參數(shù)，提前確定伺服電機(jī)的安裝尺寸。

（3）放置電機(jī)時(shí)，接頭朝下。

（4）正確安裝并對(duì)齊電機(jī)。

（5）在電機(jī)安裝完畢后，將所有電源和編碼器電纜連接起來(lái)，并在電纜中使用滴水環(huán)，以防止液體從接頭處流走。

4 伺服電機(jī)注意事項(xiàng)

在安裝伺服電機(jī)之前我們需要從運(yùn)輸容器中小心地取出電機(jī)，同時(shí)目視檢查電機(jī)是否有損壞，檢查電機(jī)框架、前輸出軸和安裝導(dǎo)向器是否有任何缺陷。若有，應(yīng)立即通知承運(yùn)人任何運(yùn)輸損壞。電機(jī)軸的機(jī)械連接，需要一個(gè)扭力剛性聯(lián)軸器或加強(qiáng)的同步帶，如聯(lián)軸器和滑輪。伺服電機(jī)的高動(dòng)態(tài)性能可能導(dǎo)致聯(lián)軸器，滑輪或皮帶松脫或滑移。隨著時(shí)間的推移。連接松動(dòng)或滑動(dòng)將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，并可能損壞電機(jī)軸。系統(tǒng)和伺服電機(jī)軸之間的所有連接必須是剛性的，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可接受響應(yīng)。定期檢查連接，驗(yàn)證其剛性。當(dāng)聯(lián)軸器或滑輪安裝到電機(jī)軸上時(shí)，確保連接正確對(duì)齊，軸向和徑向負(fù)載在電機(jī)的規(guī)格范圍內(nèi)。電磁干擾(EMI)，通常稱(chēng)為噪聲，可能會(huì)產(chǎn)生雜散信號(hào)，對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不利影響?？朔姶鸥蓴_的有效方法包括對(duì)交流電源進(jìn)行濾波，屏蔽和隔離信號(hào)線(xiàn)路，以及采用良好的接地技術(shù)。有效的交流電力濾波可以通過(guò)使用隔離的交流電力變壓器或適當(dāng)安裝的交流線(xiàn)路濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了避免電磁干擾：

（1）在物理上將信號(hào)線(xiàn)與電機(jī)電纜和電源線(xiàn)分開(kāi)。不要將信號(hào)線(xiàn)與電機(jī)和電源線(xiàn)一起布線(xiàn)，也不要穿過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器的通風(fēng)口。

（2）使用單點(diǎn)并聯(lián)接地系統(tǒng)將所有設(shè)備接地，該系統(tǒng)采用接地母線(xiàn)或大型接地帶。如有需要，可使用額外的電子降噪技術(shù)，以減少噪音環(huán)境中的電磁干擾。