伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、 伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，其最大特點(diǎn)是：有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電動(dòng)機(jī)分為交流和直流兩大類。 一、交流伺服電動(dòng)機(jī) 1基本結(jié)構(gòu) 交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。 定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵(lì)磁繞組，另一相繞組是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差90電角度。工作時(shí)勵(lì)磁繞組f與交流勵(lì)磁電源相連，控制繞組k加控制信號(hào)電壓 。 kU1 1、結(jié)構(gòu)

2、、結(jié)構(gòu)( (永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)) )主要由：定子主要由：定子1 1、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子5 5和檢測(cè)元件和檢測(cè)元件8 8等幾部分組成。等幾部分組成。12341567892工作原理工作原理 交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞組電流不同相時(shí)，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。但是對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)要求不僅是在控制電壓作用下就能啟動(dòng)，且電壓消失后電動(dòng)機(jī)應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)。如果伺服電動(dòng)機(jī)控制電壓消失后像一般單相異步電動(dòng)機(jī)那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則出現(xiàn)失控現(xiàn)象，我們把這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自

3、轉(zhuǎn)。 為消除交流伺服電動(dòng)機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，必須加大轉(zhuǎn)子電阻r2，這是因?yàn)楫?dāng)控制電壓消失后，伺服電動(dòng)機(jī)處于單相運(yùn)行狀態(tài)，若轉(zhuǎn)子電阻很大，使臨界轉(zhuǎn)差率sm1，這時(shí)正負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性曲線（ ）以及合成轉(zhuǎn)矩特性曲線（ ）如圖8.3所示。由圖中可看出，合成轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就保證了當(dāng)控制電壓消失后轉(zhuǎn)子仍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)將被迅速制動(dòng)而停下。轉(zhuǎn)子電阻加大后，不僅可以消除自轉(zhuǎn)，還具有擴(kuò)大調(diào)速范圍、改善調(diào)節(jié)特性、提高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。 sTsTemem,sTem 圖8.3 伺服電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的M-S曲線 3控制方法 可采用下列三種方法來控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高低及

4、旋轉(zhuǎn)方向。 （1）幅值控制 保持控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。 （2）相位控制 保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓間的相位差。 （3）幅-相控制 同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位。 二、直流伺服電動(dòng)機(jī) 1基本結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)實(shí)質(zhì)是容量較小的普通直流電動(dòng)機(jī)，有他勵(lì)式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。 杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由非磁性材料制成空心杯形圓筒，轉(zhuǎn)子較輕而使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快速。轉(zhuǎn)子在由軟磁材料制成的內(nèi)、外定子之間旋轉(zhuǎn)，氣隙較大。 無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)的電刷和換向器，使之工作更可靠。它的定子鐵心結(jié)

5、構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，其上嵌有多相繞組，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。 2基本工作原理 傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)完全相同，依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常采用電樞控制方式，即在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時(shí)電樞電流也為零，電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。三、交直流伺服電動(dòng)機(jī)的區(qū)別三、交直流伺服電動(dòng)機(jī)的區(qū)別直流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：直流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：電刷和換向器易磨損，換向時(shí)產(chǎn)生火花，限制轉(zhuǎn)速電刷和換向器易磨損，換向時(shí)產(chǎn)生火花，限制轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)復(fù)

6、雜，制造困難，成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小交流電動(dòng)機(jī)的容量大于直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)的容量大于直流電動(dòng)機(jī) 伺服系統(tǒng)的性能要求伺服系統(tǒng)的性能要求一、基本要求一、基本要求1 1、位移精度高、位移精度高位移精度：指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)的位移量和該指令脈位移精度：指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)的位移量和該指令脈 沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的實(shí)際位移量之間的沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的實(shí)際位移量之間的 符合程度符合程度2 2、穩(wěn)定性好、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性：指伺服系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫穩(wěn)定性：指伺服系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫 的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)3 3、定位精度高、定位精度高 定位精度：是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度定位精度：是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度6 6、系統(tǒng)可靠性好、系統(tǒng)可靠性好7 7、低速大轉(zhuǎn)矩、低速大轉(zhuǎn)矩4 4、快速響應(yīng)性好、快速響應(yīng)性好5 5、調(diào)速范圍寬、調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍：是指機(jī)械裝置要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍：是指機(jī)械裝置要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速的比值和最低轉(zhuǎn)速的比值二、伺服系統(tǒng)的分