伺服电机的选择与使用

控制电机的选择与使用用于自动控制系统的具有特殊性能的小功率电机，主要在控制系统中用作信号的检测（测量）、传递、执行、放大或转换等。执行元件：交、直流伺服电动机、步进电动机测量元件：交、直流测速发动机、自整角机和旋转变压器能力要求：1、能分析伺服电机的工作原理与控制过程2、能根据使用场合选择合适的伺服电机知识要求：1、了解伺服电机的结构2、熟悉伺服电机的工作原理任务伺服电机(servomotor)的选择与使用数控加工中心特殊电机的应用图片激光打印机7.1伺服电动机伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件,可将控制电信号转换为转轴的角位移或角速度。通过改变控制电信号的大小和极性,交、直流伺服电动机作为执行元件,可用于中高档数控机床的主轴驱动和速度进给伺服系统,工业用机器人的关节驱动伺服系统,自动控制系统对伺服电动机的基本要求如下：（1）无“自转”现象：即要求控制电机在有控制信号时迅速转动,而当控制信号消失时必须立即停止转动。控制信号消失后,电机仍然转动的现象称为自转,自动控制系统不允许有“自转”（2）空载始动电压低:电机空载时,转子从静止到连续转动的最小控制电压称为始动电压。始动电压越小,电机的灵敏度越高。（3）机械特性和调节特性的线性度好:线性的机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度,（4）快速响应性好:即要求电机的机电时间常数要小,堵转转矩要大,转动惯量要小,转速能随控根据使用电源性质的不同,伺服电动机可分为直复习直流电动机的工作原理图中N和S是一对固定的（主）磁极，用来建立恒定磁场。两磁极之间有一个可以转动的圆柱形铁心，铁心上固定着线圈abcd。线圈的ad端接在随电枢一起旋转的两片半圆形铜片上，这两个铜片合称为换向器，换向器固定在转轴上且与转轴绝缘。铁心、线圈和换向器组合在一起形成电枢。电刷A、B分别与换向片接触而通向外电路。通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经A-d-c-b-a-B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针方向旋转，复习直流电动机的基本结构直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙,称为气隙。定子部分包括主磁极、换向极、电刷、机座等；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。7.1.1直流伺服电动机1.直流伺服电动机的结构按结构,直流伺服电动机可分为传统型和低惯量1）传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机的结构形式与普通直流电动机的相同,只是它的容量和体积要小得多。按励磁方式,它又可以分为电磁式和永磁式两种。电磁式直流伺服电动机的定子铁心通常由硅钢片冲制叠压而成,励磁绕组直接绕制在磁极铁心上,使用时需加励磁电源。永磁式直流伺服电动机的定子上安装由永久磁钢制成的磁极,不需励磁电源。2）低惯量型直流伺服电动机低惯量型直流伺服电动机的机电时间常数小,大大改善了电机的动态特性。常见的低惯量型直流伺服电动机如下：1—内定子;2—外定子;3—空心杯电枢;4—电刷;5—图7-1空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图外定子可以由永久磁钢制成,或通常的电磁式结构。内定子由软磁材料构成电枢绕组,沿圆周的轴向排列成空心杯形,再用环氧树脂固化。(1)空心杯形转子直流伺服电动机:图7-1所示为空心杯形转子直流伺服电动机的结构简图。其定子部分包括一个外定子和一个内定子。外定子可以由永久磁钢制成,也可以是通常的电磁式结构。内定子由软磁材料制成,以减小磁路的磁阻,仅作为主磁路的一部分。空心杯形转子上的电枢绕组,可以采用印制绕组,也可先绕成单个成型绕组,然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形,再用环氧树脂固化。电枢绕组的端侧与换向器相连,由电刷引出。空心杯形转子直接固定在转轴上,在内、外定子的气隙中旋转。(2)盘式电枢直流伺服电动机:图7-2所示为盘式电枢直流伺服电动机的结构简图。其定子由永久磁钢和前后软磁铁组成,磁钢放置在圆盘的一侧,并产生轴向磁场,它的极数比较多,一般制成6极、8极或10极。在磁钢和另一侧的软铁之间放置盘式电枢绕组。电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组。绕线式绕组先绕制成单个绕组元件,并将绕好的全部绕组元件沿圆周径向排列,再用环氧树脂浇制成圆盘形。印制绕组采用与制造印制电路板相类似的工艺制成。盘形电枢上的电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面,并与轴向磁通相互作用产生电磁转矩。因此,绕组的径向段为有效部分,弯曲段为端1—软磁铁;2—磁钢;3—电枢绕组;4—换向器图7-2盘式电枢直流伺服电动机的结构简图图7-3无槽电枢直流伺服电动机示意图(3)无槽电枢直流伺服电动机:无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心上不开槽,电枢绕组直接排列在铁心圆周表面,再用环氧树脂将它和电枢铁心固化成一个整体,如图7-3所示。这种电机的转动惯量和电枢绕组的电感比前面介绍的两种无铁心转子的电机要大些,此外,还有无刷直流伺服电动机,它可以实现无接触(无刷)电子换向,既具有直流伺服电动机良好的机械特性和调节特性,又具有交流电动机维护方便、运行可靠的优点。2.直流伺服电动机的工作原理与控制方式直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机的相同。只要在其励磁绕组通入电流且产生磁通,当电枢绕组中通过电流时,电枢电流就与磁通相互作用产生电磁转矩,使电动机转动。这两个绕组其中一个断电时,电动机立即停转,无自转现象。直流伺服电动机工作时有两种控制方式,即电枢控制方式和磁场控制方式。永磁式的直流伺服电动机只有电枢控制方式。电枢控制方式是励磁绕组接恒定的直流电源,产生额定磁通,电枢绕组接控制电压,当控制电压的大小和方向改变时,电动机的转速和转向随之改变，当控制电压消失时,电枢停止转动。磁场控制方式是将电枢绕组接到恒定的直流电源,励磁绕组接控制电压,在这种控制方式下,当控制电压消失时,电枢停止转动,但电枢中仍有很大的电流,相当于普通直流电动机的直接启动电流,因而损耗的功率很大,还容易烧坏换向器和电刷,此外,电动机的特性为非线性。因此,自动控制系统中一般采用电枢控制方式3.直流伺服电动机的静态特性(电枢控制方式)1)采用电枢控制方式的直流伺服电动机,当控制电压Uc=常数时,磁通Φ=常数（不考虑电枢反应）,其转速n与电磁转矩T之间的关系曲线n=f(T)称为机械特性。直流伺服电动机的机械特性表达式与他励直流电动机的机械特性表达式相同,TnTΦCCRΦCUnTee02ac(7–1)式中:n0——电动机的理想空载转速,n0=Uc／(ＣeΦ)。n0与控制电压Uc式(7-1)表明,电动机的转速n与电磁转矩T为线性关系,在控制电压不同时,机械特性为一组平行的直线,如图7-4图7-4直流伺服电动机的机械特性从图7-4中可以看出:控制电压Uc一定时,电磁转矩越大,电动机的转速越低;控制电压升高,机械特性向右平移,堵转转矩Td成正比地增大。2)在电动机的电磁转矩T=常数时,伺服电动机的转速n与控制电压Uc之间的关系曲线n=f(Uc)称为调节特性。由式（7-1）可知,在T=常数时,磁通Φ=常数,转速n与控制电压Uc为线性关系,转矩T不同时,调节特性是一组平行的直线,如图7-5所示。图7-5直流伺服电动机的调节特性在T一定时,控制电压Uc升高,转速n也升高；负载转矩增大,即T增大,调节特性向右平移,始动电压Uc0成正比地增大。从图7-5中可以看出：在T一定时,控制电压Uc升高,转速n也升高；负载转矩增大,即T增大,调节特性向右平移,始动电压Uc0成正比地增大。例如在L=T1时,只有当控制电压UcUc01时,电动机才能转起来,而当c=0～Uc01时,电动机不转,我们称0～Uc01区间为失灵区或死区,电压Uc01称为始动电压。负载转矩TL不同,始动电压也不同,TL越大,始动电压越大,且始动电压或失灵区的大小与负载转矩成正比。T=0时的特性为理想空载特性,这时只要有控制电压Uc,电动机就转动。实际空载时,T=T0≠0,始动电压不为零,T0越大,需要的始动电压越大。4.直流伺服电动机的应用电子电位差计是用伺服电动机作为执行元件的闭环自动测温系统,常用于工业企业的加热炉温度测量,它的基本电路原理图如图7-6所示。其基本工作原理是：测温系统工作时,金属热电偶1处于炉膛中,并产生与温度对应的热电动势,经补偿和放大后得到与温度成正比的热电压Ut,然后与工作电源Ug经变阻器的分压UR进行比较,得到误差电压,为正,则经放大后加在伺服电动机3上的控制电压Uc为正,伺服电动机正转,经变速机构带动变阻器和温度指示器指针顺时针方向偏转,一方面指示温度值升高,另一方面变阻器URtUUUU分压UR升高,减小。当伺服电动机旋转至使UＲ=Ut时,变为零,伺服电动机的控制电压也为零,电动机停止转动,则温度指示器指针也就停止在某一对应位置上,指示出相应的炉温。为负,则伺服电动机的控制电压也为负,电动机将反转,带动变阻器及温度指示器指针逆时针方向偏转,UR减小,为零,电动机才停止转动,指示炉温较低。UUUU1—热电偶;2—放大器;3—伺服电动机;4—变速机构;5—变阻器;6—温度指示器图7-6电子电位差计的基本电路原理图交流伺服电动机特点：有控制电压时立即旋转，无控制电压时立即停转作用：将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出。分类：同步、异步7.1.2交流伺服异步电动机结构实质：两相异步电动机（与单相异步电动机相似）组成：定子：励磁绕组F、控制绕组C转子鼠笼式空心杯形转子1）高电阻率导条的笼型转子结构与普通笼型异步电动机的类似,但是为了减小转子的转动惯量,转子做得细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材料(如黄铜、青铜等)制造,非磁性空心杯形转子的结构如图7-7所示。定子分外定子铁心和内定子铁心两部分,由硅钢片冲制后叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90°电角度的两相绕组。内定子铁心中不放绕组,仅作为磁路的一部分,以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯形转子由非磁性铝或铝合金制成,放在内、外定子铁心之间,1—机壳;2—外定子;3—杯形转子;4—内定子;5—图7-7非磁性空心杯形转子在单相异步电动机启动结束后，单相电流产生的脉动磁场仍然使电机产生电磁转矩。如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时伺服电机要求电机停止转动，如果伺服电机不能停止转动，就产生“自转”，就失去控制的目的。“自转”问题2、交流伺服电动机工作原理从单相电机的机械特性可知，当转子电阻足够大时，则Sm＞1。此时，单相脉动磁场分解成两个旋转磁场，其中反向磁场产生的电磁转矩比正向磁场产生的大，因此，电机总的电磁转矩就为负值（制动转矩），电机就能快速停转。“自转”问题的克服转子电阻增大后的转矩特性效果3、交流伺服电动机控制方式（3）幅相控制：同时改变控制电压UC的大小和相位。（1）幅值控制：仅改变控制电压Uc振幅的大小，相位角保持不变。=UC/UF从0-1变化时,气隙磁场从脉动磁场—椭圆形旋转磁场—圆形旋转磁场。电机转速越来越高。（2）相位控制：通过移相器改变控制电压UC的相位，幅值不变。UC=UF，相位差=0时,气隙磁场为脉动磁场；=90o时,气隙磁场为圆形磁场。能力要求：1、能分析步进电机的工作原理与控制过程2、能根据使用场合选择合适的步进电机知识要求：1、了解步进电机的结构2、熟悉步进电机的工作原理任务3步进电机(stepmotor)的选择与使用步进电机—脉冲电机给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机(脉冲电动机)。目前应用最多的是反应式步进电动机（磁阻式）。电脉冲信号→角位移或直线位移优点：角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率成正比。在负载能力范围内，这种关系不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而变化，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、打印机等控制系统中。反应式步进电机结构：定子：6个磁极，分为3相，每个磁极上都套有一个绕组转子：均匀