伺服电机的基本特性及运用

伺服电机的基本特性及运用

随着工业自动化水平越来越高，伺服电机在工业现场应用也越来越广泛。本文从伺服电机基础知识出发，介绍了伺服电机的定义、构成和基本原理；同时也将伺服电机对轴承的要求进行了专业的介绍。

01DEFINITION

伺服电机的定义与特性

伺服电机是指在伺服系统中驱动机械元件运转的电动机，是精密运动控制中一种可控的，进行机电能量转换和信号转换的机械电磁装置。

伺服电机转子轴，可在受控状态下非常准确的复现上位机要求的位置、速度和转矩命令，以驱动负载对象。伺服电机在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、过载能力强、线性度高等特性。

01性能好

采用高性能的钕铁硼励磁，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、控制性能更好；机电时间常数小、线性度高。

02效率高不需要无功励磁电流，功率因数高，铜损小，发热小，效率高；在很高的速度和负载范围内都能保持较高的输出效率；过载能力强。

02CONSTITUTE

伺服电机的构成

定子设计：

1、SM系列伺服采用了分瓣实铁芯结构设计，超高槽满率，降低发热，提高输出功率2、定子采用铝机壳、真空环氧灌封设计，最大限度提高了电机的散热能力3、真空环氧灌封设计，提高了电机的绝缘能力，并有效的保护电机绕组，使得电机能够适应恶劣的应用环境转子设计：

1、高磁能级磁钢有效提高电机输出转矩2、分段错位磁钢结构，有效减少齿槽转矩，使电机运转平稳，易于速度控制和精确定位3、转子平衡块使得电机高速运转更平稳

抱闸设计：

抱闸是机器人电机的基本选项。近乎95%以上的伺服电机需要抱闸，要确保时刻抱闸，尤其在紧急停车时可靠运行，抱闸需要有足够的安全系数，静扭矩大约在电机额定扭矩的1.5倍左右，重载型机器人电机抱闸的安全系数要达到2.0甚至2.5倍。有一点需要注意的是，机器人电机的抱闸是安全制动器，不是刹车制动器，控制上要确保在急停状态下通过制动电阻让伺服驱动器的刹车电路工作，电机转速接近0的时候抱闸动作。为了提高抱闸的响应速度，永磁抱闸优于电磁弹簧抱闸。

编码器设计：

编码器安装于电机尾端，是属于电机速度和转子位置传感器。可以测量转子的位置用于伺服控制磁场定位和转子实际位置和速度给控制电脑，用于运动轨迹计算。机器人电机编码器一般精度不高，但需要多圈绝对位置可测量，保证断电之后，再次运行，断电前面的位置可以记忆。目前流行三种方式解决机器人电机编码器的问题。第一种方式是单圈采用格雷码光电或磁码盘，多圈采用机械齿轮。这样的好处是测量精度高，断电后约会通过编码器的机械位置记住电机的运行位置，上电后直接读取即可，但缺点是编码器太厚，在有限的安装空间下就显得过分长。第二种是单圈信心通过光电或磁编格雷码记忆，多圈通过电池供电电子记忆，这样就可以把编码器做得很短，对外方小于60mm的小伺服电机非常适合。缺点是电池的使用寿命比较短，长则2-3年，有的1年就要更换电池。第三种方式是精度要求不高的场合才使用的旋转变压器测量单圈位置，多圈信息通过在控制箱里的带电池电路板完成。

03BEARING

伺服电机对轴承的要求

轴承：

1：精密度高：稳定和高精度的电机轴承尺寸公差可以让电机轴承与各部件间完美地配合。2：高转速，旋转灵活。电机要求所用的电机轴承有很高的转速，驰创轴承可以满足要求。3：低噪音 ，马达要求所用的电机轴承噪音足够小，驰创轴承每一个电机轴承都通过噪音测试。4：低摩擦，完整的加工工艺及适量的润滑使电机轴承在运转中能够尽可能的减少摩擦及阻力，使电机轴承能够无忧运转。5：长寿命：伺服电机的寿命和轴承密切相关，由于机器人对可靠性和耐用性的要求，轴承要确保至少30000小时的使用寿命。按照8小时工作制折算，机器人的使用寿命至少在10年以上，轴承的转速要确保6000rpm可以持续工作。

04FAILURE MODE伺服电机失效模式

失效模式一：安装不当造成前期损伤

不良检讨——不良安装、轴承受轴向力冲击

注：伺服电机安装过程禁止使用铁榔头敲击，较大的轴向力会对轴承内外圈沟道或钢球表面造成损伤。

注：由于转子轴及定子均存在磁力且中大型伺服电机磁力较大，安装过程安装人员（新员工不熟练，转子轴直接吸入定子中，存在倾斜、吸力大且不规则等现象，造成轴承损伤，电机异响。

失效模式二：电腐蚀失效

所谓电蚀是指电流在循环转重的轴承滚道轮和滚动体的接触部分流动时、通过薄薄的润滑油膜发出火花、其表面出现局部的熔融和凹凸现象。（机理：内外圈之间存在电位差）

失效模式三：运输导致的微动磨损失效

微动磨损失效特征：对钢球与内沟道接触面上的法向变形、切向变形以及滑动进行理论分析，并对径向加载的球轴承进行往复摆动试验，发现在摆角较小时，切向滑动为微动磨损的主因; 随着摆角增大，微动磨损则主要由重复的滑动引起。切向滑动引起的损伤在接触区的周围; 滑动引起的损伤在接触区两端，接触面中心受力最大的部分未受损伤，且内圈损伤比外圈损伤严重得多。