任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)

項目6伺服電機(jī)及其控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)能力目標(biāo)：1、能夠正確描述伺服電機(jī)的特點、種類及應(yīng)用2、掌握直流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點3、掌握交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點4、理解交流伺服電機(jī)的工作原理及控制方法知識目標(biāo)：1、掌握伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理2、理解開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)的概念任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介1、伺服系統(tǒng)概念用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)專指被控制量是機(jī)械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。2、伺服系統(tǒng)的組成控制器被控對象執(zhí)行環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)組成伺服（Servo）是ServoMechanism一詞的簡寫，來源于希臘，其含義是奴隸，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介2、伺服系統(tǒng)的組成比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機(jī)來實現(xiàn)?？刂破魍ǔＪ怯嬎銠C(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動被控對象工作.機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動伺服機(jī)構(gòu)等。位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類按控制方式分：開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動元件分：步進(jìn)式伺服系統(tǒng)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)交流電機(jī)伺服系統(tǒng)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)系統(tǒng)：指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅(qū)動元器件和電機(jī)(步進(jìn)電機(jī))的性能，無反饋。開環(huán)系統(tǒng)也比較容易穩(wěn)定，精度較低，成本低廉任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測裝置安裝在電動機(jī)或絲杠軸端，通過角位移的測量，間接測量機(jī)床工作臺的實際位置，并與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。半閉環(huán)控制系統(tǒng)以交、直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，由位置比較、速度控制、伺服電機(jī)等組成。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測裝置安裝在機(jī)床工作臺上，直接測量工作臺的實際位移，并與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)以交直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，用于高精度設(shè)備的控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡介4、伺服系統(tǒng)的特點精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制有多種反饋比較原理與方法：脈沖比較、相位比較和幅值比較高性能伺服電動機(jī)：電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機(jī)，實現(xiàn)實際位移任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動機(jī)的概念、特點及分類伺服電機(jī)（servomotor），也稱為執(zhí)行電動機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電壓信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制。概念：(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)轉(zhuǎn)子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)。(3)控制功率小，過載能力強(qiáng)，可靠性好。特點：分類：直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動機(jī)的編碼器編碼器部分

安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。5V5V0V0V伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。編碼器任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動機(jī)的編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)1-均勻分布透光槽的編碼盤2-LED光源3-狹縫4-正弦信號接收器5-余弦信號接收器6-零位讀出光電元件7-轉(zhuǎn)軸8-零位標(biāo)記槽增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辯率時，可利用90度相位差的

A、B

兩路信號進(jìn)行倍頻或更換高分辯率編碼器。Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動機(jī)1、種類和結(jié)構(gòu)按勵磁方式分類：電磁式和永磁式按控制方式分類：磁場式和電樞式按結(jié)構(gòu)形式分類：普通型直流伺服電機(jī)、盤型電樞直流伺服電機(jī)、空心杯

直流伺服電機(jī)、無槽型直流伺服電機(jī)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動機(jī)2、直流伺服電機(jī)的控制直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵直流電機(jī)相同通過改變電樞電壓U或磁通Φ控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速（與普通直流電機(jī)不同）電樞控制

響應(yīng)迅速、機(jī)械特性硬、調(diào)速特性線性度好只適合小功率場合，很少使用磁場控制控制方式：注意：永磁式直流伺服電機(jī)只能采用電樞控制體現(xiàn)伺服電機(jī)特點：電壓控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動機(jī)3、直流伺服電機(jī)的特點（1）穩(wěn)定性好：具有較硬的機(jī)械特性，能夠在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行（2）可控性好：具有線性的調(diào)節(jié)特性，通過控制電樞電壓的大小和極性，

控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；當(dāng)電樞電壓為零時，由于轉(zhuǎn)子

慣量很小，直流伺服電動機(jī)能立即停止。（3）響應(yīng)迅速：較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量，在控制信號的輸入、

增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電機(jī)能夠快速啟動，

增速、減速或停止。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)1、種類同步型（SM）：感應(yīng)型（IM）：籠型感應(yīng)電動機(jī)，勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流可控采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)，內(nèi)部有編碼器檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、結(jié)構(gòu)交流伺服電動機(jī)就是一臺兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差900的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式：與鼠籠式三相電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似空心薄壁圓筒，放置在內(nèi)定子與外定子之間籠形：杯形：外定子任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理回顧單相異步電動機(jī)的工作原理工作繞組起動繞組~S轉(zhuǎn)子CABiAiB交流伺服電機(jī)勵磁繞組控制繞組任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––

勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。適當(dāng)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(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。(a）接線圖1(b)相量圖任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來勵磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時，電機(jī)無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。上述特點與單相異步電機(jī)相似任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理單相異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)動后，若取消控制電壓僅由勵磁電壓單相供電，電機(jī)仍然按原來運行方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，電機(jī)失去控制作用。交流伺服電機(jī)要求：靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，電動機(jī)運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)。結(jié)論：交流伺服電動機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機(jī)相似，將無法克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵磁時，在電動機(jī)運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)時也同樣為電動轉(zhuǎn)矩。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1Sm表示最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率T1maxS1m當(dāng)單相勵磁時，在電動機(jī)運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時也同樣為制動轉(zhuǎn)矩?？刂齐妷翰坏扔诹銜r的機(jī)械特性曲線任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)2、工作原理加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。TU20.8U20.6

U20.4U2on不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)體現(xiàn)伺服電機(jī)特點：電壓控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)3、控制方法控制電壓幅值勵磁電壓幅值兩電壓之間的相位差交流伺服電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向兩相交流伺服電動機(jī)的控制方法：幅值控制相位控制幅相控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動機(jī)3、控制方法(1)幅值控制：控制電壓和勵磁電壓保持相位差90°，只改變控制電壓幅值，來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，控制電壓越高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也越高。ABC

設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL，控制電壓0.25UC時,電機(jī)在特性點A運行，轉(zhuǎn)速為na，這時電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)控制