一、伺服电机原理

伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思，“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动，当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。因此伺服电机指的是随时跟随命令进行动作的一种电机，是以其工作性质命名的。

伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应的角度，从而实现位移。伺服本身带有编码器，具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，就会发出对应数量的脉冲。等于是把电机旋转的详细信息反馈回去，形成闭环。这样的话，系统就会知道发了多少脉冲给电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能很精准的控制电机的转动，实现非常精准的定位。

二、伺服电机分类

1、直流伺服

结构简单控制容易。但从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置，成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花影响生产，会产生电磁干扰。而且碳刷需要维护更换。机械换向器的换向能力，也限制了电动机的容量和速度。

交流伺服

分为永磁同步伺服电机和异步伺服电机。目前运动控制基本都用同步电机。

永磁同步伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。特点如下：

1、控制速度非常快，从启动到额定转速只需几毫秒；而相同情况下异步电机却需要几秒钟。

2、启动扭矩大，可以带动大惯量的物体进行运动。 l

3、功率密度大，相同功率范围下相比异步电机可以把体积做得更小、重量做得更轻。

4、运行效率高。 l

5、可支持低速长时间运行。 l

6、断电无自转现象，可快速控制停止动作。

7、控制和响应性能比异步伺服电机高很多。

三、伺服电机选型

1、电机转矩

电机转矩，简单的说，就是转动的力量的大小。也就是电机可以发出多大的力，转矩是一种力矩，力矩在物理中的定义是：

力矩= 力 ×力臂

这里的力臂就可以看成电机所带动的物体的转动半径。如果电机转矩太小，就带不动所要带的物体，也就是感觉电机的“劲”不够大。

假设我们是采用滚珠丝杆使工件做平行移动：

假设：

负载速度：

检测物体质量：

移动块质量：

滚珠丝杆直径：

滚珠丝杆节距：

摩擦系数：

机械效率：

减速比： R=1

力矩=力×力臂

把负载转矩转化到电机轴上的公式为：

2、负载的转动惯量

转动惯量反映出物体转动状态下的惯性：转动惯量大的物体的角速度更难于被改变。转动惯量大的物体比惯量小的物体更难于被加速。系统的转动惯量决定着电机的加减速时间。

转动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，加减速时会产生震荡，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。 衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，电机的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和电机惯量相匹配才行。

负载惯量计算公式：

式中：

J1---转动惯量

m---负载质量（检测物体+载物台）

滚珠丝杆节距

代入数据：

假设：

滚珠丝杆转动惯量：

联轴节的转动惯量：

则总的负载惯量：

选择电机时要考虑惯量匹配：

即负载惯量不大于转子转动惯量的5倍。

3、负载功率

负载运行功率：

式中：

负载运行功率

额定转速，取3000rpm

负载转矩

代入数据：

负载加速功率：

式中：

加速时的负载功率

额定转速，取3000rpm

负载的转动惯量

加速时间，取0.1s

代入数据：

4、选型条件

惯量匹配

转矩

3、输出功率

四、伺服电机的选型及故障处理

三相交流伺服电动机应用广泛，但通过长期运行后，会发生各种故障，及时判断伺服电机故障原因，进行相应处理，是防止故障扩大，保证设备正常运行的一项重要的工作

a、通电后伺服电动机不能转动，但无异响，也无异味和冒烟。

1.故障原因

① 电源未通（至少两相未通）；

② 熔丝熔断（至少两相熔断）；

③ 过流继电器调得过小；

④ 控制设备接线错误。

2.故障排除

① 检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点，修复；

② 检查熔丝型号、熔断原因，换新熔丝；

③ 调节继电器整定值与电动机配合；

④ 改正接线。

b、通电后伺服电动机不转有嗡嗡声

1.故障原因

① 转子绕组有断路（一相断线）或电源一相失电；

② 绕组引出线始末端接错或绕组内部接反；

③ 电源回路接点松动，接触电阻大；

④ 电动机负载过大或转子卡住；

⑤ 电源电压过低；

⑥ 小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬；

⑦轴承卡住。

2. 故障排除

① 查明断点予以修复；

② 检查绕组极性；判断绕组末端是否正确；

③ 紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，予以修复；

④ 减载或查出并消除 机械故障，

⑤ 检查是否把规定的面接法误接；是否由于电源导线过细使压降过大，予以纠正，

⑥ 重新装配使之灵活；更换合格油脂；

⑦ 修复轴承。

c、伺服电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多

1.故障原因

① 电源电压过低；

② 面接法电机误接；

③ 转子开焊或断裂；

④ 转子局部线圈错接、接反；

⑤ 修复电机绕组时增加匝数过多；

⑥ 电机过载。

2.故障排除

① 测量电源电压，设法改善；

② 纠正接法；

③ 检查开焊和断点并修复；

④ 查出误接处予以改正；

⑤ 恢复正确匝数；

⑥ 减载。

d、伺服电动机空载电流不平衡，三相相差大

1.故障原因

① 绕组首尾端接错；

② 电源电压不平衡；

③ 绕组存在匝间短路、线圈反接等故障。

2.故障排除

① 检查并纠正；

② 测量电源电压，设法消除不平衡；

③ 消除绕组故障。

e、伺服电动机运行时响声不正常有异响

1.故障原因

① 轴承磨损或油内有砂粒等异物；

② 转子铁芯松动；

③ 轴承缺油；

④ 电源电压过高或不平衡。

2.故障排除

① 更换轴承或清洗轴承；

② 检修转子铁芯；

③ 加油；

④ 检查并调整电源电压。

f、运行中伺服电动机振动较大

1.故障原因

① 由于磨损轴承间隙过大；

② 气隙不均匀；

③ 转子不平衡；

④ 转轴弯曲；

⑤ 联轴器（皮带轮）同轴度过低。

2.故障排除

① 检修轴承，必要时更换；

② 调整气隙，使之均匀；

③ 校正转子动平衡；

④ 校直转轴；

⑤ 重新校正，使之符合规定。

g、伺服电机轴承过热

1.故障原因

① 滑脂过多或过少；

② 油质不好含有杂质；

③ 轴承与轴颈或端盖配合不当（过松或过紧）；

④ 轴承内孔偏心，与轴相擦；

⑤ 电动机端盖或轴承盖未装平；

⑥ 电动机与负载间联轴器未校正，或皮带过紧；

⑦ 轴承间隙过大或过小；

⑧ 电动机轴弯曲。

2.故障排除

① 按规定加润滑脂（容积的1/3-2/3）；

② 更换清洁的润滑滑脂；

③ 过松可用粘结剂修复，过紧应车，磨轴颈或端盖内孔，使之适合；

④ 修理轴承盖，消除擦点；

⑤ 重新装配；

⑥ 重新校正，调整皮带张力；

⑦ 更换新轴承；

⑧ 校正电机轴或更换转子。

h、伺服电动机过热甚至冒烟

1.故障原因

① 电源电压过高；

② 电源电压过低，电动机又带额定负载运行，电流过大使绕组发热；

③ 修理拆除绕组时，采用热拆法不当，烧伤铁芯；

④ 电动机过载或频繁起动；

⑤ 电动机缺相，两相运行；

⑥ 重绕后定于绕组浸漆不充分；

⑦ 环境温度高电动机表面污垢多，或通风道堵塞。

2.故障排除

① 降低电源电压（如调整供电变压器分接头）；

② 提高电源电压或换粗供电导线；

③ 检修铁芯，排除故障；

④ 减载；按规定次数控制起动；

⑤ 恢复三相运行；

⑥ 采用二次浸漆及真空浸漆工艺；

⑦ 清洗电动机，改善环境温度，采用降温措施。