項(xiàng)目四任務(wù)五點(diǎn)三伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理講解

數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)應(yīng)用

項(xiàng)目四：CNC數(shù)控裝置與伺服系統(tǒng)河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講人：彭二寶任務(wù)五：伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理一、直流伺服電動(dòng)機(jī)三、交流伺服電機(jī)二、直流力矩電動(dòng)機(jī)授課內(nèi)容

簡(jiǎn)介

伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電機(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)

轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度分類(lèi)：直流伺服電機(jī)---功率較大，幾百瓦，也可達(dá)數(shù)千瓦。交流伺服電機(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)速范圍機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性無(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)2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)(DCServoMotor)結(jié)構(gòu)與分類(lèi)傳統(tǒng)型直流伺服電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通進(jìn)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低慣量型直流伺服電動(dòng)機(jī)A.盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)：定子有永久磁鐵；氣隙位于圓盤(pán)兩邊；圓盤(pán)上有印刷繞組或繞線式繞組；繞組的徑向段為有效部分，電流沿徑向流過(guò)圓盤(pán)；電樞繞組有效部分的裸導(dǎo)體表面兼作換向器。A.盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)：繞組B.空心杯電樞永磁式直流伺服電動(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)：SYKC.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?？刂品绞接芍绷麟姍C(jī)原理知道：直流伺服電動(dòng)機(jī)有兩種基本控制方式：電樞控制—改變電樞電壓來(lái)控制轉(zhuǎn)速，適用于電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。磁極控制—調(diào)節(jié)磁通來(lái)控制轉(zhuǎn)速，僅適用于電勵(lì)磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。但因停轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流大，磁極繞組匝數(shù)多、電感大，時(shí)間常數(shù)大等缺點(diǎn)，很少采用。本課程只介紹直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞控制。機(jī)械時(shí)間常數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比；與電機(jī)的每極氣隙磁通F的平方成反比，為了減小電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)，應(yīng)增加每極氣隙磁通；與電樞電阻Ra的大小成正比，為減小時(shí)間常數(shù)，應(yīng)盡可能減小電樞電阻，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，并由放大器供給控制電壓時(shí)，應(yīng)計(jì)入放大器的內(nèi)阻Ri，Ra+Ri；直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)一般<30ms，低慣量直流伺服電機(jī)的時(shí)間常數(shù)<10ms。2.2直流力矩電動(dòng)機(jī)(TorqueMotor)性能特點(diǎn)：低速、大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，特性的直線性好，在堵轉(zhuǎn)條件下能長(zhǎng)期工作。原理：與一般直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與一般直流伺電動(dòng)機(jī)不同，呈扁平形，以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。電樞長(zhǎng)度與直徑之比一般為0.2左右。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)2.3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。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(chēng)繞組中通入兩對(duì)稱(chēng)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。原理交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90

的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90

,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖

1(b)相量圖工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流和的相位差近于90o，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?？刂齐妷号c電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)原理電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理1.轉(zhuǎn)動(dòng)原理AXYCBZ定子繞組通入交流電方向:順時(shí)針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率。由前面分析可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動(dòng)機(jī)如果:無(wú)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無(wú)轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速間必須要有差別。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得轉(zhuǎn)差率s

例1：一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速

n=975r/min，n0=1000r/min.電源頻率f1=50Hz。試求電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：額定轉(zhuǎn)差率為不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:如何滿(mǎn)足上述要求？增大轉(zhuǎn)子電阻！增大轉(zhuǎn)子電阻的三個(gè)好處：能消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：正常轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的單相轉(zhuǎn)矩T=T1+T2，在正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，0<s<1，T>0。所以，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大，轉(zhuǎn)子仍能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，不會(huì)因控制信號(hào)的消失而停轉(zhuǎn)，這種“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象使伺服電動(dòng)機(jī)失去控制，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是不允許的。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=1.8控制方法

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，上述結(jié)構(gòu)的交流電機(jī)，必須使定子繞組產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，轉(zhuǎn)子才能轉(zhuǎn)動(dòng)。由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論，對(duì)于在空間相距90電度的兩個(gè)繞組，只要它們產(chǎn)生時(shí)間上不同相的脈動(dòng)磁勢(shì)，電機(jī)氣隙中就將形成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子獲得轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。如果這兩個(gè)繞組的脈動(dòng)磁勢(shì)幅值相同，且時(shí)間上相差90電度，則氣隙中將形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)便運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。當(dāng)激磁繞組接至電壓值不變的激磁電源，若控制信號(hào)的大小或者它與激磁電壓間的相位發(fā)生改變，都能改變電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的橢圓度，也就能夠影響電機(jī)的工作狀態(tài)，達(dá)到對(duì)電機(jī)控制的目的。據(jù)此，交流伺服電機(jī)有下列幾種控制方法：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。最不對(duì)稱(chēng)，脈振磁場(chǎng)對(duì)稱(chēng)，圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，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。由于與激磁電壓相差90度的電壓為：所以信號(hào)系數(shù)定義為：脈振磁場(chǎng)橢圓形磁場(chǎng)圓形磁場(chǎng)幅值相位控制（電容控制）

激磁回路串聯(lián)電容后接到相位和幅值都不變的激磁電源，當(dāng)改變控制電壓幅值時(shí)，由于激磁回路電流發(fā)生變化，使激磁繞組及其串聯(lián)電容上的電壓分布發(fā)生變化，從而使控制電壓與激磁繞組上的電壓間的相位角也發(fā)生變化。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。Cph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。圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)處于對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)脈動(dòng)磁場(chǎng)，電機(jī)不對(duì)稱(chēng)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。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。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。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.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(chēng)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%。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)。機(jī)電時(shí)間常數(shù)

m

e=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：交流伺服電動(dòng)