chap02伺服電動(dòng)機(jī)課件

2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)

伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.1簡(jiǎn)介

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。功能：電壓信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度分類：直流伺服電動(dòng)機(jī)---功率較大，幾百瓦，也可達(dá)數(shù)千瓦。

交流伺服電動(dòng)機(jī)---兩相伺服電動(dòng)機(jī)，功率較小，數(shù)十瓦。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求：寬廣的調(diào)速范圍（改變控制電壓）機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性（機(jī)械特性Ua-，n=f(T);調(diào)T-,n=f(Ua))無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象---控制電壓為零時(shí)能立即自行停轉(zhuǎn)快速響應(yīng)(機(jī)電時(shí)間常數(shù)?。?.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.2直流伺服電動(dòng)機(jī)(DCServoMotor)結(jié)構(gòu)與分類傳統(tǒng)型直流伺服電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，它可以再分為電磁式和永磁式兩種；定子鐵心沖片電樞沖片2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)A.盤式電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)：繞組2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)B.空心杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)1-內(nèi)定子，2-外定子，3-空心杯電樞，4-電刷，5-換向器外定子為磁鋼，內(nèi)定子為軟磁材料，或反之；非磁性空心杯電樞上可為印刷繞組，也可為繞線式繞組；空心杯直接裝在電機(jī)軸上，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)國(guó)產(chǎn)型號(hào)：SYK2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)C.無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞鐵心上無(wú)槽，電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹(shù)脂將它與電樞鐵心固化為一個(gè)整體；定子磁極為電磁或永磁式；國(guó)產(chǎn)型號(hào)：SWC。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)不考慮電機(jī)磁路飽和，并忽略負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的影響，則勵(lì)磁磁通正比于勵(lì)磁電壓，即：2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)

機(jī)械特性

控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系理想空載轉(zhuǎn)速：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：機(jī)械特性斜率：2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性

負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化調(diào)節(jié)特性與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，就表示在某一電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的始動(dòng)電壓。從原點(diǎn)到始動(dòng)電壓點(diǎn)的一段范圍，稱為在某一電磁轉(zhuǎn)矩值時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)的失靈區(qū)，也稱死區(qū)。思考題：為什么在電樞體積相同、電樞電流和電流密度相同以及磁密相同條件下，能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩？1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-電樞繞組；5-槽楔兼換向器片；6-銅環(huán)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)電樞導(dǎo)體所占截面積：Ke—電樞截面利用系數(shù)，即槽面積占電樞截面的比例系數(shù)；Kf—槽滿率。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)當(dāng)電樞電流相同，電流密度相同時(shí)，導(dǎo)線直徑相同2.4交流伺服電機(jī)(ACServoMotor)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

交流伺服電機(jī)通常都是兩相異步電機(jī)，在定子上有兩個(gè)空間相距90度的繞組，即控制繞組和勵(lì)磁繞組。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)Rotor籠型轉(zhuǎn)子非磁性空心杯轉(zhuǎn)子鐵磁性空心杯轉(zhuǎn)子杯壁厚0.2~0.8mm，J小杯壁.5~3mm，J較大，有單邊磁拉力，已較少用2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)工作原理：與普通兩相異步電機(jī)的相似之處：在二相對(duì)稱繞組中通入兩對(duì)稱電流，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)所感應(yīng)的電流與氣隙磁磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)改變其中一相電流的大小或相位時(shí)，氣隙磁場(chǎng)就發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)矩隨之變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速必然跟著改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。區(qū)別：由于伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。對(duì)其要求是：(1)轉(zhuǎn)子速度的快慢能反應(yīng)控制信號(hào)的強(qiáng)弱，轉(zhuǎn)動(dòng)方向能反應(yīng)控制信號(hào)的相位，調(diào)速范圍要寬；（2）無(wú)控制信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，如控制信號(hào)消失，應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）為減小體積和重量，一般采用400、500或1000Hz。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)增大轉(zhuǎn)子電阻后的單相轉(zhuǎn)矩增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk>1，則合成單相轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)為負(fù)值，即T<0。這就是說(shuō)，控制信號(hào)消失后，處于單運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)由于電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)而能迅速停轉(zhuǎn)。因此，增大轉(zhuǎn)子電阻是防止交流伺服電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的有效措施。兩相合成轉(zhuǎn)矩2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)可以增大調(diào)速范圍由電機(jī)學(xué)原理知，異步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)僅在：0<s<sk，而正常電機(jī)的sk=0.1~0.2,所以調(diào)速范圍甚小。增大轉(zhuǎn)子電阻，使sk增大，從而增大調(diào)速范圍。使機(jī)械特性更加線性

如右圖中，曲線3的線性度比曲線2要好。sk1=0.2,sk2=1.1,sk3=1.82.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)幅值控制

控制電壓與激磁電壓之間保持90度相位差不變，通過(guò)改變控制信號(hào)（電壓）的幅值來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)最不對(duì)稱，脈振磁場(chǎng)對(duì)稱，圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不對(duì)稱，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定義：為信號(hào)系數(shù)，則：相位控制控制電壓的幅值保持不變，通過(guò)改變控制電壓對(duì)激磁電壓的相角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)當(dāng)改變控制電壓的幅值以改變轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，激磁電流If的大小和相位都會(huì)改變，致使激磁繞組上的電壓的大小和相位也隨之改變。所以，這是一種幅值和相位的復(fù)合控制方式。Cph2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)雙相控制

激磁電壓與控制電壓間的相位固定為90度，而激磁電壓的幅值隨控制信號(hào)的改變而同樣的改變，也就是說(shuō)，不論控制信號(hào)大小，電機(jī)始終在圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下工作，可獲得最大輸出功率和效率。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性

和直流伺服電動(dòng)機(jī)一樣，可用機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性來(lái)表征交流伺服電動(dòng)機(jī)的的靜態(tài)運(yùn)行性能。1.幅值控制時(shí)的靜態(tài)特性勵(lì)磁繞組中不接電容，X’ca=02.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩為了簡(jiǎn)化表達(dá)式和使分析結(jié)論更具普遍性，將上式以標(biāo)么值形式表示。選取圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩的基值。因獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的條件是，而堵轉(zhuǎn)時(shí)

2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩基值：轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值：2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)脈動(dòng)磁場(chǎng)，電機(jī)不對(duì)稱程度最大橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可用兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)表示可見(jiàn)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系十分復(fù)雜。因此，常用電機(jī)的實(shí)際參數(shù)按轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行計(jì)算，作出不同信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性曲線。由于是用標(biāo)么值表示，所以具有普啟遍意義。由機(jī)械特性，采用作圖的方法可得到調(diào)節(jié)特性。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)幅值控制時(shí)的機(jī)械特性幅值控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)1.幅值控制時(shí)的靜態(tài)特性2.相位控制時(shí)的靜態(tài)特性2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)相位控制時(shí)的機(jī)械特性相位控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性3.電容控制時(shí)的靜態(tài)特性

定義獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)信號(hào)系數(shù)為a0，為使伺服電機(jī)有較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在起動(dòng)時(shí)獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，起動(dòng)后為橢圓形磁場(chǎng)，故電容控制時(shí)電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速都低于同步速。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)電容控制時(shí)的機(jī)械特性電容控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性4.雙相控制時(shí)的靜態(tài)特性

信號(hào)系數(shù)定義為實(shí)際控制信號(hào)與額定信號(hào)電壓(電機(jī)銘牌上有注明)之比。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)雙相控制時(shí)的機(jī)械特性雙相控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性分析：

各種控制方式下的調(diào)節(jié)（控制）特性均為非線性，但是在相對(duì)速度較小、信號(hào)系數(shù)較小時(shí)，都接近直線。所以，為獲得線性的調(diào)節(jié)特性，伺服電機(jī)應(yīng)工作在相對(duì)轉(zhuǎn)速較低的狀態(tài)下。辦法：提高工作頻率例：0~2400r/m的轉(zhuǎn)速范圍，

f=50Hz時(shí)，相對(duì)轉(zhuǎn)速：0~0.8；

f=500Hz時(shí)，相對(duì)轉(zhuǎn)速：0~0.08.2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)實(shí)際的兩相伺服電動(dòng)機(jī)u值不超過(guò)0.2，所以，Ku值就近似于1，這樣，它的機(jī)械時(shí)間常數(shù)仍可以近似地用理想引性機(jī)械特性時(shí)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)代替，由此引起的誤差不超過(guò)22%。性能指標(biāo)空載始動(dòng)電壓Us0在額定激磁電壓和空載的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開(kāi)始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小控制電壓稱為空載始動(dòng)電壓Us0，通常用額定控制電壓的百分?jǐn)?shù)表示。Us0越小，表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度越高，一般不大于3~4%。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)機(jī)械特性的非線性度Km

在額定激磁電壓下，任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械特性與線性機(jī)械特性在T=Tst/2時(shí)的速度差與空載轉(zhuǎn)速之比百分?jǐn)?shù)。始動(dòng)電壓機(jī)械特性非線性度2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的非線性度K

在額定激磁電壓和空載情況下，當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)e為0.7時(shí)，實(shí)際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的速度差與空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)。2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)me=1時(shí)的機(jī)械特性近似為一直線，所對(duì)應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用舉例—倒數(shù)計(jì)算裝置

線性電位器輸入端加電壓U1，輸出端電壓為：q放大器伺服電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)q改變此時(shí)2.伺服電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)直流與交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的比較交流直流