伺服电动机

11一、伺服电动机1.概述伺服电动机也称执行电动机，它将电压信号转变为电机转轴的角速度或角位移输出。输入的信号又称控制信号或控制电压，改变控制电压的大小额电源的极性，就可以改变伺服电机的转向和转速，在自控系统中，伺服电机又叫做执行元件。伺服电机按照电源性质又可分成直流伺服电机和交流伺服电机，直流伺服电机具有调速性能良好，启动转矩较大及快速响应等优点。交流伺服电机结构简单，运行可靠，维护方便，目前采用矢量控制的三相感应电动机和三相永磁同步电动机构成的高性能伺服电动机占领主导地位。随着伺服电机在自动控制系统中广泛的运用，控制系统对它们的基本要求如下：转速和转向应便于控制信号的控制，具有较宽的调速范围。具有线性的调速范围和机械特性，在整个转速范围内保持运转的稳定性。无“自转”现象，当控制信号消失的时候伺服电机立即停转。快速反应。即电动机的机电时间常数要非常小，相应的堵转矩较大并且具有较小的转动惯量，这样电机才能随着电压的改变而迅速改变。控制功率小，启动电压要低。2.直流伺服电机2.1直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向22器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。2.2直流伺服电机的驱动原理2.2.1伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。2.3直流伺服电机分类2.3.1直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷直流伺服电机——电机成本高结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，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。2.3.2无刷直流伺服电机——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，电机功率有局限做不大。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。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。3.直流伺服电机的种类3.1按电机惯量大小可分为：331、小惯量直流电机——印刷电动机的自动钻孔机2、中惯量直流电机（宽调速直流电机）——数控机床的进给系统3、大惯量直流电机——数控机床的主轴电机4、特种形式的低惯量直流电机4.直流伺服电机的基本特性4.1机械特性：在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。4.2调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。4.3动态特性：从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。5.直流伺服电机的工作原理和控制方式5.1工作原理直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，如图4-4所示。他激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：n=Ua-Ia*Ra/Cef式中：n──电枢的转速，r/min；u──电枢电压；Ia──电机电枢电流；44Ra──电枢电阻；ke──电势系数（ke=Ceφ）。调节电机的转速有三种方法：（1）改变电枢电压u。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速；（2）变磁通量φ（即改变ke的值）。改变激磁回路的电阻Rf以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。(3)在电枢回路中串联调节电阻R5.2控制方式直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。6.直流伺服电机的运行特性和动态特性556.1运行特性伺服电动机的运动特性分为机械特性和调节特性。6.1.1机械特性在电枢控制方式下，励磁电压Uf不变，机械特性是指电枢电压保持不变的时候，电动机转速随着电磁转矩的变化关系即Ua=C(常数)时，n=f（Te）。6.1.2调节特性调节特性是指电磁转矩保持不变的时候，电动机随转速随电枢电压变化的关系，即Te=C时，n=f（Ua）6.2动态特性直流伺服电动机的动态特性是指电动机的电枢上外施电压突变时，电动机从一种稳定转速过渡到另一种稳态转速的过程。自动控制系统要求直流伺服电机的机电过渡尽可能的短，即转速变化跟得上控制信号的改变。一般情况下，电磁过渡的过程要比机械过渡过程短得多，因此常常忽略电磁过渡的过程。二.交流伺服电动机1.交流伺服电动机的结构组成交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，66无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图1所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定77子，如图2所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。图1交流伺服电动机原理图图2空心杯形转子伺服电动机结构交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。88交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：（1）起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。图3伺服电动机的转矩特性（2）运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。（3）无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所99示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。图4伺服电动机单相运行时的转矩特性图5是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。图5伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。10102.交流伺服电动机原理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）。.伺服电动机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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，作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。3交流伺服电动机的静态特性幅值控制时异步伺服电机的机械特性是一组曲线，即当圆形磁场旋转时，异步伺服电动机的理想空载转速才是同步转速，当椭圆形磁场旋转时，电机的理想空载转速将低于同步转速，得出结论，磁场的椭圆度越大，反向转矩越大，理想空载转速就越低。4.交流伺服电动机的动态特性交流电动机的机械特性和调节特性均为非线性，电机动态过渡过程包括电气过渡和机械过渡，动态过程中，两个过程互相影响，相互关联，由于电气过渡时间较短，所以只考虑电机的机械过程，认为电机加上控制电压之后，控制电流瞬间到达稳态值。三.伺服电机的应用1111代号用途：交流伺服电动机/鼠笼型转子为鼠笼结构具有体积小、工作可靠等优点，低速运转时不够平滑小功率自动控制系统中代号：SL交流伺服电动机/齿轮减速鼠笼型转子为鼠笼结构，带有齿轮减速器与鼠笼型相同，可直接与负载相连接小功率自动控制系统中代号：SL-J交流伺服电动机/非磁性杯型用非磁性金属铝、紫铜等制成杯形转子，杯的内外由内、外定子构成磁路转子惯量小；运转平滑，无抖动现象；励磁电流和体积较大要求运行平滑的系统，如积分电路等代号：SK交流伺服电动机/带有定位装置鼠笼型转子为鼠笼结构，带有定位装置仅能单方向旋转代号：SL-D直流伺服电动机/有槽电枢(电磁或永磁)同一般直流电动机的结构相似，但电枢铁心长度与直径之比值大，气隙较小有下降