伺服電機(jī)精講

1、伺服電機(jī),第一章 直流伺服電動機(jī) 1.1 直流伺服電動機(jī)的工作原理 1.2 直流伺服電動機(jī)的靜態(tài)特性 1.3 直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性 第二章 交流伺服電動機(jī) 2.1 交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制方式 2.2 交流伺服電動機(jī)的工作原理,主要內(nèi)容,第一章 直流伺服電動機(jī),一、直流伺服電動機(jī)的工作原理,在兩電刷間加直流電壓。如圖所示，電流從b刷流入，由a刷流出,n極處有效導(dǎo)體中的電流流出紙面，用表示； s極處有效導(dǎo)體中的電流流入紙面，用表示,第一章 直流伺服電動機(jī)-工作原理,b 導(dǎo)體所在處的磁密度 （磁感 應(yīng)強(qiáng)度），wb/m2 l 導(dǎo)體在磁場中的長度，m； i 導(dǎo)體中流過的電流，a,用左手定則確定電

2、磁力的方向,載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力為,直流電機(jī)是可逆的，它根據(jù)不同的外界條件而處于不同的運(yùn)動狀態(tài)。 如輸入機(jī)械能時，迫使它旋轉(zhuǎn)，它便輸出電能，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時稱為發(fā)電機(jī)。 當(dāng)在電刷兩端加電壓輸入電能時，它便旋轉(zhuǎn)起來，輸出機(jī)械能，處于電動機(jī)狀態(tài),第一章 直流伺服電動機(jī)-工作原理,二、直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類,一）傳統(tǒng)式直流伺服電動機(jī),永磁式直流伺服電動機(jī)是在定子上裝置由永久磁鋼做成的磁極。目前我國生產(chǎn)的sy系列直流伺服電動機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)式直流伺服電動機(jī)可分為永磁式和電磁式兩種,電磁式（串激式和他激式）直流伺服電動機(jī)的定子通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁軛整體相連，在磁極鐵芯上套

3、有激磁繞組，目前我國生產(chǎn)的sz系列直流伺服電動機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu),第一章 直流伺服電動機(jī),這兩者電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開有均布的齒槽，在轉(zhuǎn)子槽中放置電樞繞組，并經(jīng)換向器、電刷引出,第一章 直流伺服電動機(jī)-分類,二）低慣量式直流伺服電動機(jī),無槽電樞直流伺服電動機(jī),無槽電樞直流伺服電動機(jī)的電樞鐵芯上并不開槽，電樞繞組直接排列在鐵芯表面，再用環(huán)氧樹脂把它與電樞鐵芯粘成一個整體。定子磁極可以用永久磁鋼做成，也可以采用電磁式結(jié)構(gòu)。 目前我國生產(chǎn)的swc系列直流伺服電動機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu),第一章 直流伺服電動機(jī)-分類,二）低慣量式直流伺服電動機(jī),盤形電樞直流伺服電動機(jī),盤形電樞

4、直流伺服電動機(jī)的定子是由永久磁鋼和前后磁軛所組成，磁鋼在圓盤的一側(cè)放置，也可以在兩側(cè)同時放置。 電機(jī)的氣隙就位于圓盤的兩邊，圓盤上有電樞繞組，可分為印刷繞組和線繞式繞組兩種形式,第一章 直流伺服電動機(jī)-分類,二）低慣量式直流伺服電動機(jī),空心杯電樞永磁式直流伺服電動機(jī),空心杯電樞永磁式直流伺服電動機(jī)有一個外定子和一個內(nèi)定子。通常外定子由兩個半圓形的永久磁鋼所組成；內(nèi)定子為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁阻。 目前我國生產(chǎn)的syk系列直流伺服電動機(jī)屬于這種結(jié)構(gòu),第一章 直流伺服電動機(jī)-分類,第一章 直流伺服電動機(jī),三、直流伺服電動機(jī)的控制方式,電磁式直流伺服電動機(jī)，采用電樞控制時

5、，其激磁繞組由外加恒壓的直流電源激磁； 永磁式直流伺服電動機(jī)則由永磁磁極激磁,第一章 直流伺服電動機(jī),四、直流伺服電動機(jī)的靜態(tài)工作特性,機(jī)械特性是指控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系,調(diào)節(jié)特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系,基本假設(shè)： 不考慮電機(jī)磁化曲線非線性的影響； 忽略帶載時電樞反應(yīng)磁勢的影響,ra 電動機(jī)電樞回路的總電阻； ea 電動機(jī)電樞回路的反電勢； ia 電動機(jī)電樞回路的電流； 每級總磁通； n 電樞轉(zhuǎn)速； ke 電勢常數(shù)，表示單位轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的電勢,電樞回路的電壓平衡方程,第一章 直流伺服電動機(jī)-靜態(tài)特性,它表示外加電壓與反電勢及電樞內(nèi)阻壓 降相平衡,kt 轉(zhuǎn)矩常數(shù)

6、，表示單位電樞電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為,第一章 直流伺服電動機(jī)-靜態(tài)特性,直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為,我們把,代入電壓平衡方程中，可得到電,樞電流ia的表達(dá)式,由此看出直流電動機(jī)的電樞電流不僅取決于外加電壓和本身的內(nèi)阻，而且還取決于與轉(zhuǎn)速成正比的反電勢（當(dāng)為常數(shù)時,tltian; tltian,一）機(jī)械特性,第一章 直流伺服電動機(jī)-靜態(tài)特性,ua= constant,機(jī)械特性曲線與縱軸的交點為電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0,機(jī)械特性曲線與橫軸的交點為電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)矩tk,機(jī)械特性曲線的斜率的絕對值表示了電動機(jī)機(jī)械特性的剛度,二）調(diào)節(jié)特性,第一章 直流伺服電動機(jī)-靜態(tài)特性,tg=consta

7、nt,調(diào)節(jié)特性曲線與橫軸的交點表示在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時電動機(jī)的始動電壓ua0,調(diào)節(jié)特性曲線的橫坐標(biāo)從零到始動電壓的這一范圍稱為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，伺服電動機(jī)的失靈區(qū)。失靈區(qū)的大小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比,第一章 直流伺服電動機(jī),五、直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性,電樞控制時直流伺服電動機(jī)的動態(tài)特性，是指在電動機(jī)的電樞上外加階躍電壓時，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增長過程,直流伺服電動機(jī)的基本方程,第一章 直流伺服電動機(jī)-動態(tài)特性,電樞電路的電壓方程,恒定磁場中轉(zhuǎn)動的元件感應(yīng)電壓,電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程,式中： j為轉(zhuǎn)動慣量，b為粘滯摩擦系數(shù)，tf為其他摩擦轉(zhuǎn)矩，tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,第一章 直流伺服電動機(jī),六、直流伺

8、服電動機(jī)的應(yīng)用,第一章 直流伺服電動機(jī)-選擇與應(yīng)用,雷達(dá)天線的位置控制系統(tǒng),被跟蹤目標(biāo)經(jīng)雷達(dá)天線系統(tǒng)檢測并發(fā)出誤差信號，該信號經(jīng)過放大后就作為力矩電動機(jī)的控制信號，并使力矩電動機(jī)驅(qū)動天線跟蹤目標(biāo),系統(tǒng)中使用測速電機(jī)的速度反饋回路是為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,一、結(jié)構(gòu)及控制方式,交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分，即定子部分 和轉(zhuǎn)子部分。 定子：定子鐵心由硅鋼片組成 在定子鐵心中安放著空間互成90電角度的兩相繞組， 如圖所示。其中l(wèi)1l2稱為勵磁繞組，k1k2稱為控制繞組， 所以交流伺服電動機(jī)是一種兩相的交流電動機(jī),l1,l2,k1,k2,兩相繞組分布圖,第二章 交流流伺服電動機(jī),轉(zhuǎn)子：一般有三

9、種結(jié)構(gòu)，籠型轉(zhuǎn)子、非磁性空心杯轉(zhuǎn)子 和鐵磁性空心轉(zhuǎn)子,第二章 交流流伺服電動機(jī),1）籠型轉(zhuǎn)子 和三相異步電動機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子一樣，但籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條采用高電阻率的導(dǎo)電材料制造，如青銅、黃銅,第二章 交流流伺服電動機(jī),2）非磁性空心杯轉(zhuǎn)子 非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)有兩個定子：外定子 和內(nèi)定子，外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)的定子完全一 樣，而內(nèi)定子一般不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心， 作為磁路的一部分； 空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料（如 銅、鋁或鋁合金）制成，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場作用下，杯形轉(zhuǎn)子 內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流再與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使杯 形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來,第二章 交流流伺服電

10、動機(jī),非磁性空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 1-空心杯轉(zhuǎn)子；2-外定子；3-內(nèi)定子；4-機(jī)殼；5-端蓋,優(yōu)點：由于非磁性空心杯轉(zhuǎn)子的壁厚約為0.20.6mm，因而其轉(zhuǎn)動慣量很小，故電機(jī)快速響應(yīng)性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)平滑，無抖動現(xiàn)象。缺點：由于使用內(nèi)外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大,第二章 交流流伺服電動機(jī),3）鐵磁性空心轉(zhuǎn)子 這種轉(zhuǎn)子由純鐵制成，既可導(dǎo)磁又可導(dǎo)電，既可做主磁通的回路，又可做轉(zhuǎn)子繞組，這樣省去了內(nèi)定子鐵心。轉(zhuǎn)子壁厚，轉(zhuǎn)動慣量大。該電機(jī)有一個致命的缺點，當(dāng)外界氣隙不均勻時，容易被定子“吸住”，很少使用,第二章 交流流伺服電動機(jī),二、 工作原理 交流伺服電動機(jī)使用時，勵磁繞組兩端施加恒定的勵

11、磁電壓uf，控制繞組兩端施加控制電壓uk，如圖所以。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動機(jī)就會很快轉(zhuǎn)動起來，將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械特性,第二章 交流流伺服電動機(jī),電氣原理圖,第二章 交流流伺服電動機(jī),伺服電動機(jī)的工作原理,鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向,通過實驗介紹該電動機(jī)的工作原理：如圖，一個能夠自由 轉(zhuǎn)動的鼠籠轉(zhuǎn)子放在可用手柄轉(zhuǎn)動的兩極永久磁鐵中間，當(dāng)轉(zhuǎn) 動手柄使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時，就會發(fā)現(xiàn)磁鐵中間的鼠籠轉(zhuǎn)子也會 跟著磁鐵轉(zhuǎn)動起來。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比磁鐵慢，當(dāng)磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向 改變時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也會跟著改變,第二章 交流流伺服電動機(jī),當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)圖中的永 久磁鐵順時針以ns的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那么它的磁力線也就以順時針 方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。也就是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以逆時針方向切割磁力線， 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定則，n極下和s極下 導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向如圖所示，由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過 短路環(huán)連接的，因此在感應(yīng)電勢作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會有 電流流過。根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原理，由左手定則，電 磁力如圖所示，轉(zhuǎn)矩方向與磁體的運(yùn)動方向一致。所以，鼠籠 轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動起來,第二章 交流流伺服電動機(jī),從上面的簡單實驗清楚地說明，鼠籠轉(zhuǎn)子（或者是非磁性 杯形轉(zhuǎn)子）所以會轉(zhuǎn)動起來是由于