第三章執(zhí)行元件的選擇與設計1-補充

1第三章

執(zhí)行元件的選擇與設計什么是伺服電機伺服電機之定義：

伺服（Servo）源自于英文「Servant」，即『馬達能夠依據命令、忠實的移動』。通過檢測裝置、時時刻刻的監(jiān)督伺服馬達是否依照所輸入的指令移動。“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機伺服電機之特長：1.由于轉子慣量較小、可達成急加速、急減速、急停等要求。2.馬達小型化3.具備更精密的位置及速度控制功能。3伺服電機主要分為直流伺服電機和交流伺服電機，其中直流伺服又分為有刷直流伺服和無刷直流伺服，交流伺服又分為異步交流伺服和永磁同步交流伺服。實際上無刷直流伺服也算是交流伺服一派的，只不過區(qū)別在于用直流供電，并控制器電子換向實現交流電機驅動。伺服電機分類伺服馬達之分類DC伺服馬達

AC伺服馬達1、線圈會旋轉2、定子為永久磁鐵3、有碳刷及整流子1、定子為線圈2、轉子為永久磁鐵3、無碳刷及整流子直流電機工作原理5永磁鐵與電磁線圈6直流電機的定子都包含哪幾部分？各部分作用如何？

在直流電動機中，電樞所加電壓已是直流，為什么還要加裝換向器？如果直流電機沒有換向器，還能轉動嗎？想想練練直流電機的轉子都包含哪幾部分？各部分作用如何？

7直流電機應用轉矩變化大精度要求不高速度固定：三速直流伺服電動機直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同，只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些？直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機相同。供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。U1為勵磁電壓U2為電樞電壓？MU1I1IaU2放大器U++––直流伺服電動機的接線圖勵磁繞組磁場VS.永磁鐵磁場（他勵）9

直流電動機有哪些勵磁方式？應用得較多的有哪幾種？

直流電動機的電樞繞組中通過的電流是直流嗎？為什么？

為什么說直流電動機中的感應電動勢是反電動勢？這個反電動勢與發(fā)電機中的感應電動勢有何不同？

想想練練

常用的直流伺服電機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機

混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機

直流進給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型-恒轉矩）；

直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機，

（動力驅動型-恒功率）。

1.靜態(tài)特性

電磁轉矩由下式表示:

（6.1）

KT

—轉矩常數；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

（6.2）

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢。

電樞反電勢與轉速之間有以下關系：

（6.3）

Ke─電勢常數；ω─電機轉速（角速度）。

根據以上各式可以求得：電機轉速（負載）

（6.4）（一）直流電機的工作特性

當負載轉矩為零時：理想空載轉速（6.5）

當轉速為零時：啟動轉矩(6.6）

當電機帶動某一負載TL時電機轉速與理想空載轉速的差（6.7）

圖6.7

直流電機的機械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

負載變化時，轉速線性變化，幅度小

2.動態(tài)特性直流電機的動態(tài)力矩平衡方程式為

（6.8）

式中

TM─電機電磁轉矩；

TL─折算到電機軸上的負載轉矩；

ω─電機轉子角速度；

J─電機轉子上總轉動慣量；

t─時間自變量。

1.永磁直流伺服電機的性能特點

1)低轉速大慣量

2)轉矩大

3)起動力矩大

4)調速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小

2.永磁直流伺服電機性能用特性曲線和數據表描述

1)轉矩-速度特性曲線（工作曲線）

2)負載-工作周期曲線

過載倍數Tmd，負載工作周期比d。

3)數據表：n、T、時間常數、轉動慣量等等。

（二）永磁直流伺服電機的工作特性

d%過載倍數80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tR

6103060100tR(min)

圖6﹒9負載-工作周期曲線M/（N-cm）轉矩極限

12000

10000

瞬時換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖6﹒8永磁直流伺服電機工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負載-工作周期曲線決定工作時間；Ⅲ區(qū)為瞬時加減速區(qū)

（三）永磁直流伺服電機的工作特性

3.永磁直流伺服電機的工作特性曲線（電樞外加電壓改變）

負載工作周期比（三）主軸直流伺服電機的工作原理和特性（勵磁磁通變）OnjnmaxnP,T12圖6.10直流主軸電機特性曲線1-轉矩特性曲線2-功率特性曲線（四）直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的調速原理根據機械特性公式可知調速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通Φ⑴改變電樞外加電壓Ua（電樞電流）:由于繞組絕緣耐壓的限制，調壓只能在額定轉速以下進行。屬于恒轉矩調速。⑵改變氣隙磁通量Φ：改激磁電流即可改Φ，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調速，在額定轉速以上進行。屬于恒功率調速。

2.直流速度控制單元調速控制方式◆晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)◆晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)18數控機床用電機主要有兩種電機：進給伺服電機和主軸電機。數控機床對主軸電機和伺服電機的要求不同：

數控機床對進給伺服電機的要求主要為：(1)機械特性：要求伺服電機的速降小、剛度大；

(2)快速響應的要求：這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格；

(3)調速范圍：這可以使數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質；適應于各種不同的加工工藝；

(4)一定的輸出轉矩，并要求一定的過載轉矩。機床進給機械負載的性質主要是克服工作臺的摩擦力和切削的阻力，因此主要是"恒轉矩"的性質。對高速電主軸的要求主要為：

(1)足夠的輸出功率，數控機床的主軸負載性質近似于"恒功率"，也就是當機床的電主軸轉速高時，輸出轉矩較??；主軸轉速低時，輸出轉矩大；即要求主軸驅動裝置要具有"恒功率"的性質；

(2)調速范圍：為保證數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質；適應于各種不同的加工工藝，要求主軸電機具有一定的調速范圍。但對主軸的要求比進給低；

(3)速度精度：一般要求靜差度小于5％，更高的要求為小于1％；

(4)快速：主軸驅動裝置有時也用在定位功能上，這就要求它也具有一定的快速性。伺服電機和主軸電機的輸出指標不同

伺服電機以轉矩(N.m)，主軸以功率(kW)為指標。

這是因為，伺服電機和主軸電機在數控機床里作用不同，伺服電機驅動機床的工作臺，工作臺的負載阻尼為折合到電機軸上的轉矩，所以伺服電機以轉矩(N.m)為指標。主軸電機驅動機床的主軸，它的負載必需滿足機床的功率，所以主軸電機以功率(kW)為指標。這是習慣的叫法。其實，通過力學公式的換算，這兩個指標可以進行互算。19速度調節(jié)器電流調節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-（1）晶閘管調速系統(tǒng)的組成直流伺服電機的速度控制20可控硅速度控制的原理：①調速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節(jié)器的輸入端，產生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉速運行。②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉速恢復到干擾前的數值。③電網波動：電流調節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調節(jié)電流作用，如電網電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機轉速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。④啟動、制動、加減速：電流調節(jié)器還能保證電機啟動、制動時的大轉矩、加減速的良好動態(tài)性能。（2）晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)的組成速度調節(jié)器電流調節(jié)器脈寬調節(jié)振蕩器脈寬調節(jié)MG電流反饋U～usrusf整流功放§6.4直流伺服電機直流伺服電機的速度控制圖3-5速度反饋PWM調速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控硅（50Hz)，可達2-10KHz?？焖傩院谩＂陔娏髅}動小:

由于PWM調制頻率高，電機負載成感性對電流脈動有平滑作用，波形系數接近于1。③電源的功率因數高:

SCR(可控硅)系統(tǒng)因導通角影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數。PWM

系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數高。④動態(tài)硬度好:

校正瞬態(tài)負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。

直流伺服電機存在如下缺點

它的電樞繞組在轉子上不利于散熱；由于繞組在轉子上，轉子慣量較大，不利于高速響應；電刷和換向器易磨損需要經常維護、限制電機速度、換向時會產生電火花限制了它的應用環(huán)境。如果能將電刷和換向器去掉，再把電樞繞組移到定子上，就可克服這些缺點。交流伺服電機就是這種結構的電機。交流伺服電機有兩類：

SM同步電機和IM感應電機24交流伺服電動機交流伺服電動機結構交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯接控制信號電壓Uc。勵磁繞組控制繞組杯形轉子內定子交流伺服電動機結構圖它與普通電動機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。勵磁繞組磁場VS.永磁鐵磁場三相異步交流感應電機的工作原理感應電機當其對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉子氣隙中建立起旋轉磁場，其轉速為

式中f—電源頻率；p—定子極對數。即磁場的轉速正比于電源頻率，反比于定子的極對數；磁場的旋轉方向取決于繞組電流的相序。由于電磁感應作用，閉合的轉子導體內將產生感應電流。這個電流產生的磁場和定子繞組產生的旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，從而使轉子“跟著”定子磁場旋轉起來，其轉速為n。n總是低于ns（異步），否則就不會通過切割磁力線的作用在轉子中產生感應電流。永磁同步交流電機的工作原理定子轉組產生旋轉磁場的機理與感應電機是相同的。其不同點是轉子為永磁體，且n與ns相同（同步）。兩個磁場相互作用產生轉矩。定子繞組產生的旋轉磁場可看作一對旋轉磁極吸引轉子的磁極隨其一起旋轉。要想實現四象限運行，關鍵是力矩的控制。在永磁直流電機中，T=KtI。I為直流，只要改變電流的大小就能改變力矩。而交流電機中Fs是由三相交流電產生的，繞組中的電壓及電流是交流，是時變量，轉矩的控制要復雜得多。能否找到一種方法使我們能夠象控制直流電機那樣控制交流電機？20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術，或稱磁場定向控制技術。通過坐標變換，把交流電機中交流電流的控制，變換成類似于直流電機中直流電流的控制，實現了力矩的控制，可以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能，從而使交流電機的控制技術取得了突破性的進展。30一種高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄。交流伺服電機轉子結構的兩種形式：放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1

勵磁繞組串聯電容C,是為了產生兩相旋轉磁場。

適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產生所需的旋轉磁場。交流伺服電動機的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖

控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組

交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。

勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，因此便產生兩相旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。33

永磁同步電機：控制響應性能最優(yōu)，主要用于控制，因此市面上大多的伺服電機通常是指永磁同步電機；大家日常說道的伺服電機通常都是指永磁同步電機。

異步電機：控制技術的不斷發(fā)展，當前以模擬信號控制的異步電機在控制響應方面性能也跟上來了，且其亦具備永磁同步電機不具備的優(yōu)點，因此異步伺服電機作為伺服電機行業(yè)的一股新生力量也在漸露頭角。永磁同步型與感應異步型比較34永磁同步伺服電機

永磁同步伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。特點如下：35

控制速度非?？?，從啟動到額定轉速只需幾毫秒；而相同情況下異步電機卻需要幾秒鐘。

啟動扭矩大，可以帶動大慣量的物體進行運動。

功率密度大，相同功率范圍下相比異步電機可以把體積做得更小、重量做得更輕。

運行效率高。

可支持低速長時間運行。

斷電無自轉現象，可快速控制停止動作。36異步伺服電機

異步伺服電機實際上和異步電機是幾乎完全相似的，不過其引入了編碼器實現了對電機的閉環(huán)控制，因此也可以視為伺服電機的一種。尤其是當前變頻調速技術的飛速發(fā)展，異步伺服電機的實際控制性能也很不錯，配合其支持大功率、高轉速的特點，在一些永磁同步電機無法勝任的地方大放異彩。特點如下：37功率可以做得很大，設計成熟，運行可靠性高。

支持高速（過10000rpm）長時間運行，同比下永磁電機最高只能做到6000~8000rpm轉速。

性價比高，在對控制精度要求不高的情況下可以替代永磁電機使用。38永磁同步伺服電機應用

精確定位轉矩變化快速響應39DC伺服馬達與AC伺服馬達之比較DC伺服馬達1、須定期保養(yǎng)（電刷）2、驅動器設計較為容易3、使用壽命較短4、噪音較大5、響應較差6、啟動轉矩為額定扭矩AC伺服馬達1、不須定期保養(yǎng)2、驅動器設計較為復雜3、使用壽命長4、噪音小5、響應快6、啟動轉矩為3倍額定扭矩永磁同步交流伺服電機與永磁直流伺服電機的比較電樞在定子上，散熱性能好；沒有電刷及換向機構，不需經常維護；產生的對外部的電磁干擾??；它的轉子上沒有電樞且轉子磁體多采用磁性很強的稀土材料制成，體積小，轉子的轉動慣量小，從提高了電機的響應速度；控制比直流伺服電機要復雜的多。伺服控制原理電源變流器平滑回路逆變器IM異步電機速度檢出器驅動回路電壓/電流檢出回路速度檢出回路運算回路保護回路運轉命令控制回路A控制回路B主回路伺服控制原理伺服馬達與伺服驅動器之間的回授LOOP1、電流LOOP伺服馬達在驅動時由于負載的關系而產生扭矩的緣故，使得流進馬達的電流增大，一旦流進馬達的電流過大時會造成馬達燒毀的情形。為防止此一情形發(fā)生，在馬達的輸出位置加入電流感測裝置，當馬達電流超過一定電流時，切斷伺服驅動器以保護馬達。伺服控制原理伺服馬達與伺服驅動器之間的回授LOOP2、速度LOOP此LOOP是用來檢測馬達的旋轉速度是否依照指令旋轉之用，相對于控制裝置所提供之指令，速度LOOP控制馬達的旋轉速度。伺服控制原理伺服馬達與伺服驅動器之間的回授LOOP3、位置LOOP此LOOP是用來檢測由控制器所輸出位置控制指令之后，伺服馬達是否移動至指令位置。相對于位置指令值，當檢測值過大或過小時，控制伺服馬達移動其誤差值的部份，達到定位之目的。※依據不同的控制系統(tǒng)之需求，在驅動器中有三種控制模式可供選擇速度控制位置控制扭矩控制扭矩指令輸入范圍0～±10V【正電壓－＞CCW扭力】0～額定扭力扭矩控制依據輸入電壓的大小、達到控制馬達輸出扭力的目的。扭矩控制扭矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現