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深圳市海目星激光科技有限公司[1]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29电机学习报告—伺服电机篇伺服系统是指使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化而变化的自动控制系统。伺服电机在控制系统中常被用来做执行元件，将输入的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，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，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。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。一、伺服电机分类伺服电机分为直流与交流两大类，直流电机又分为有刷与无刷两类；交流电机可分为异步与同步两类。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。二、交流伺服电机1.交流异步电机交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，自动控制系统对它的要求主要有几点：i.转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；ii.整个运行范围内的特性应具有线性关系，保证运行的稳定性；iii.伺服电动机无“自转”现象；iv.控制功率要小，启动转矩应大；v.机电时间常数要小，始动电压要低。深圳市海目星激光科技有限公司[2]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29（1）结构特点交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子部分。在定子铁心中安放着空间互成90°电角度的两相绕组，其中l1-l2为励磁绕组，k1-k2为控制绕组，所以交流伺服电动机是两相交流电动机。示意图如图1。图1交流伺服电机两相绕组分布图转子结构常用的有鼠笼形转子、非磁性杯形转子。鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图2，它的转子由转轴、转子铁心、转子绕组等组成。图2鼠笼形转子交流伺服电动机转子结构转子铁心由硅钢片叠成，每片冲成有齿有槽形状，如图3，然后叠压起来将轴压入轴孔内。铁心的每一槽中放有一根导条，所有导条两端用短路环连接，这就构成转子绕组。深圳市海目星激光科技有限公司[3]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29图3转子铁芯硅钢片如果去掉铁心，整个转子绕组成一鼠笼状，如图4，“鼠笼转子”由此得名。鼠笼材料有用铜，有用铝，为制造方便，一般用铸铝转子，把鼠笼导条与短路环铸成一体。图4鼠笼式转子绕组非磁性杯形转子交流伺服电动机结构如图5。图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子一样，内定子由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以称空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝、铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3mm左右。深圳市海目星激光科技有限公司[4]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29图5杯形转子伺服电机结构杯形与鼠笼转子形状不一样。但杯形转子可看作是鼠笼条数非常多的、条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子，杯形转子两端可看作由短路环相连接，如图6。这样，杯形、鼠笼转子实质上并没有差别，所起的作用也相同。图6杯形转子与鼠笼型转子相似与鼠笼形转子相比，杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于转子没有齿和槽，所以合成Te不会随转子位置发生变化，恒速旋转时，转子不会抖动，运转平稳。但它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，电机利用率低，因而在相同体积和重量下，在一定功率范围内，杯形转子伺服电动机的启动转矩小、输出功率小。另外，杯形转子伺服电动机结构、深圳市海目星激光科技有限公司[5]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29制造工艺较复杂。目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机，只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(积分电路)，才用非磁性杯形转子伺服电动机。（2）工作原理交流伺服电动机使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk，如图7。图7电气原理图将一个能够自由转动的鼠笼转子放在两极永久磁铁中间，当磁铁旋转时，鼠笼转子也跟着转动。转子的转速比磁铁慢，当磁铁旋转方向改变时，转子也改变如图8。图8伺服电机工作原理当磁铁旋转时，在空间形成旋转磁场。设磁铁顺时针以ns的转速旋转，那末它的磁力线就顺时针切割转子导条。转子导条以反时针切割磁力线，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向都是垂直地从纸面出来，而S极下导条的感应电势方向都是垂直地进入纸面，如图9。深圳市海目星激光科技有限公司[6]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29图9鼠笼转子转向由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连起来的，因此在感应电势作用下，导条中就会有电流流过。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。但转子转速总比磁铁转速低，因为电动机轴上有机械负载，即使空载，电机本身也存在阻转矩（摩擦、风阻）。如果转速相等，转子磁铁间没有相对运动，导条中不产生感应电势、电流、电磁转矩。结论：鼠笼转子所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。旋转磁场切割转子导条，在导条中产生感应电势和电流，转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩，转矩方向和旋转磁场的转向相同，于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。但实际电机没有像图8中那样的旋转磁铁，电机的旋转磁场由定子两相绕组通入两相交流电流所产生。（3）伺服电机中的旋转磁场伺服电机的旋转磁场是由定子两相绕组通入两相交流电流所产生，通过输入存在相位差的两项电流即可在空间中形成旋转磁场，特殊的有圆形磁场，当两项绕组输入电流的幅值不相等时则产生椭圆形磁场，用以改变电机转速。圆形磁场为分析方便，假定励磁绕组有效匝数Wf与控制绕组有效匝数Wk相等。这种在空间上互差90°电角度，有效匝数又相等的两个绕组称对称两相绕组。又假定通入励磁绕组电流与通入控制绕组电流相位上相差90°，幅值相等，这样的两个电流称两相对称电流。用数学式表示为：ik=Ikmsinωtif=Ifmsin(ωt-Ifm=Ikm=Im深圳市海目星激光科技有限公司[7]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29波形如图：图10两相对称电流图11表示不同瞬间电机磁场分布情况。图11(a)，对应t1的瞬间。由图9可以看出，控制电流为正最大值，励磁电流为零。假定正值电流是从绕组始端流入，从末端流出，负时相反，此时控制电流是从控制始端k1入，末端k2出。图11两相绕组产生的圆形旋转磁场(a)t=t1;(b)t=t2;(c)t=t3;(d)t=t4控制绕组通电后产生磁场，可用磁通密度空间向量Bk表示，Bk长度正比于控制电流值。此时控制电流为正最大值，Bk长度最大，即Bk=Bm，方向由右螺深圳市海目星激光科技有限公司[8]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29旋定则确定。励磁电流为0，不产生磁场，所以控制绕组产生的磁场就是电机总磁场。若电机总磁场用磁密向量B表示，则B=Bk，其轴线与控制绕组轴线重合，幅值为：B=Bk=Bm式中，Bm为一相磁密向量最大值。在t2瞬间。此时励磁电流为正最大值，控制电流0，即Bk=0，励磁绕组产生的磁场就是电机总磁场。即B=Bf，其轴线与励磁绕组轴线相重合，与上一瞬间相比，磁场方向顺时针转90°，磁场幅值为B=Bf=Bm。在t3瞬间，这时控制电流为负最大值，励磁电流为0。与t1瞬间的差别仅是控制电流方向相反，两者所形成的电机磁场的幅值和位置都相同，只是磁场方向改变，电机磁场的轴线比上一瞬间顺时针又转90°，与控制绕组轴线重合，磁场的幅值仍为：B=Bk=Bm。在t4瞬间，电机磁场的轴线顺时针再转90°，与励磁绕组轴线相重合，B=Bf=Bm在瞬间t5，控制电流又达到正最大值，励磁电流0，电机的磁通密度向量B又转到t1的位置。小结：两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内产生旋转磁场，其磁通密度Bδ在空间按正弦规律分布，其幅值恒定不变(Bm)，并以转速ns旋转。图12旋转磁场示意图当控制电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。由于电机磁通密度幅值恒定不变，在磁场旋转过程中，磁通密度向量B的长度在任何瞬间都保持为恒值，等于一相磁通密度向量的最大值Bm，它的方位随时间的变化在空间进行旋转，磁通密度向量B的矢端在空间描出一个以Bm为半径的圆，这样的磁场称为圆形旋转磁场。深圳市海目星激光科技有限公司[9]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29所以，当两相对称交流电流通入两相对称绕组时，在电机内会产生圆形旋转磁场。电机总磁场由两个脉振磁场所合成。当电机磁场是圆形旋转磁场时，表征这两个脉振磁场的磁通密度向量Bf和Bk分别位于励磁绕组及控制绕组的轴线上。这两个绕组在空间相隔90°电角度，因此Bf与Bk在空间相隔90°电角度。同时，由于励磁电流与控制电流都是随时间按正弦规律变化的，相位上相差90°。所以磁通密度向量Bf和Bk的长度也随时间作正弦变化,相位相差90°。再由于两相对称电流其幅值、匝数相等时，两相绕组所产生的Bm也相等。这样，两绕组磁通密度向量的长度随时间变化关系可分别表示为：相应的变化图形如图13。图13磁场变化图形任何瞬间电机合成磁场的磁通密度向量的长度为综上所述，可以这样认为：在两相系统里，如果有两个脉振磁通密度，它们的轴线在空间相差90°电角度，脉振的时间相位差为90°，其脉振的幅值又相等，那末这样两个脉振磁场的合成必然是一个圆形旋转磁场。2222sinsin(90)kfkmfmmBBBBtBtB深圳市海目星激光科技有限公司[10]报告人：刘阳报告日期：2014-11-29小结：i.单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一个脉振磁场。ii.圆形旋转磁场的特点是：它的磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。iii.两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形旋转磁场；或者说，空间上相夹90°电角度，时间上彼此有90°相位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。iv.旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线(相位上超前)转到落后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相，就可以改变旋转磁场的转向。v.旋转磁场的转速称为同步速，只与电机极数和电源频率有关，其关系为（4）转速和转差率前已指出，电机跟着旋转磁场转动时的转速n总是低于旋转磁场的转速即同步速ns。转子转速与同步速之差，也就是转子导体切割磁场的相对速率为Δn=ns-nΔn也称转差。但实用上经常用转差率s。就是转差与同步速之比值，即转差率S越大，转子转速越低。因此，当负载转矩增大时，转子转速就下降，S增大，使转子导体中的感应电势及电流增加，以产生足够的电磁转矩来平衡负载转矩。伺服电动机转子电流IR、转速n、S随负载转矩TL变化的情况可表示为TL↑→IR↑→n↓→STL↓→IR↓→n↑→S↓当s=0时，n=ns，此时转子转速与同步速相同，转子导体不感应电势，也不产生转矩，这相当于转子轴上负载转矩等于0的理想空载情况。实际上即使外加负载转矩为0，交流伺服电动机本身仍存在有阻转矩(摩擦转矩和附加转矩)，它对小功率电机影响较大。所以，在圆形旋转磁场作用下，交流伺服电动机的空载转速只有同步转速的5/6左右。当s=1,n=0，此