運動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）課件 5.2.1-5.2.2伺服電動機(jī)分類 原理與特點b2

伺服電機(jī)運動控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.1伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)與分類伺服電動機(jī)又稱為執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務(wù)是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。當(dāng)信號電壓的大小和極性（或相位）發(fā)生變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。1.結(jié)構(gòu)組成伺服電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件構(gòu)成。5.2.1伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)與分類定子上有兩個繞組，勵磁繞組l1-l2和控制繞組k1-k2。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈，導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子在由勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)自帶編碼器等檢測元件，編碼器檢測轉(zhuǎn)角等信號輸出反饋值，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。5.2.1伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)與分類2.分類按照電流種類不同，伺服電動機(jī)可分為交流伺服電動機(jī)和直流伺服電動機(jī)。按照結(jié)構(gòu)來分，又可以分為有刷式伺服電動機(jī)和無刷式伺服電動機(jī)。例如，永磁式直流伺服電動機(jī)為有刷式。如圖5-8所示。

有刷式——永磁式直流伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)無刷式直流伺服電動機(jī)無刷式永磁式同步交流伺服電動機(jī)感應(yīng)式交流伺服電動機(jī)圖5-8按結(jié)構(gòu)伺服電動機(jī)類型5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點1.交流伺服電動機(jī)20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技木和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，交流伺服系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的全數(shù)字控制的正弦波電動機(jī)伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動裝置的發(fā)展日新月異。兩相交流伺服電動機(jī)和三相交流伺服電動機(jī)同屬于感應(yīng)式交流伺服電動機(jī)下面以結(jié)構(gòu)比較簡單的兩相交流伺服電動機(jī)為例進(jìn)行分析5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點（1）兩相交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)兩相交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與單相電容式異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子上裝有兩個繞組，一個是勵磁繞組l1-l2，另一個是控制繞組k1-k2，它們在空間相隔90°，如圖5-8所示。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式有兩種：高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。①鼠籠轉(zhuǎn)子兩相交流伺服電動機(jī)

結(jié)構(gòu)與三相鼠籠式電動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相似，只是為了減小轉(zhuǎn)動慣量而做得細(xì)長一些。包括鼠籠條、短路環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、風(fēng)扇和編碼器等。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條的兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組。如果去掉鐵心，整個轉(zhuǎn)子繞組形成一鼠籠狀。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的，為了制造方便，一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把鐵心疊壓后放在模子內(nèi)用鋁澆鑄，把鼠籠導(dǎo)條與短路環(huán)鑄成一體5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點②空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)由外定子、內(nèi)定子、杯形轉(zhuǎn)子、勵磁繞組、控制繞組和編碼器組成。結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點圖中外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)的定子完全一樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，為了減小轉(zhuǎn)動慣量，它的杯壁極薄，僅0.2～0.3mm。杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動，而內(nèi)、外定子是不動的。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子從外表形狀來看是不一樣的。但實際上，杯形轉(zhuǎn)子可以看作是鼠籠條數(shù)目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子的兩端也可看作由短路環(huán)相連接。這樣，杯形轉(zhuǎn)子只是鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。從實質(zhì)上看，在電機(jī)中所起的作用完全相同。因此在以后分析時，只以鼠籠轉(zhuǎn)子為例，分析結(jié)果對杯形轉(zhuǎn)子電動機(jī)也完全適用。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點③空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)的優(yōu)缺點及選用a.空心杯形與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。b.由于空心杯形的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子一般不會有抖動現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。c.由于空心杯形內(nèi)、外定子間氣隙較大（杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙），所以勵磁電流就大，降低了電機(jī)的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小。d.空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜。因此，目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)，只有在要求運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場合下（如積分電路等），才采用非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點（2）兩相交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動的基本原理單相交流電源的電流時序如圖5-11上圖所示。電流通過定子線圈時產(chǎn)生交變磁場，如圖5-11下圖所示。在t1時刻，電流從線圈上端流入為正，產(chǎn)生向左的磁場，為了便于分析，可以分解成左上、左下兩個磁場。在t2時刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場為0。在t3時刻，電流從線圈上端流出為負(fù)，產(chǎn)生向右的磁場，為了便于分析，可以分解成向右上、右下兩個磁場。如圖在t4時刻，電流為0，產(chǎn)生的磁場為05.2.2伺服電動機(jī)原理及特點周而復(fù)始，此磁場為左右往復(fù)變化的交變磁場。這個磁場并不能使電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如果要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，則必須先產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。設(shè)計電路如圖5-12所示。兩相交流伺服電動機(jī)以單相異步電動機(jī)原理為基礎(chǔ)，其定子上有勵磁、控制兩組繞組線圈。通過電容，使兩組繞組電流相位互差90°，這種在空間上互差90°電角度，有效匝數(shù)相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。

勵磁繞組接到電壓一定的交流電網(wǎng)Uf上，控制繞組接到控制電壓Uk上，當(dāng)電流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等時，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

在t1時刻，控制電流ik為最大值從k1端流入控制繞組，從k2端流出。勵磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bk，方向向下。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點在t2時刻，勵磁電流if為最大值，從l1端流入控制繞組，從l2端流出?？刂齐娏鱥f為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bf，方向向左。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點在t3時刻，控制電流ik為負(fù)最大值，從k2端流入控制繞組，從k1端流出。勵磁電流ik為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bk，方向向上。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點在t4時刻，勵磁電流if為負(fù)最大值，從l2端流入控制繞組，從l1端流出?？刂齐娏鱥f為0。由右手螺旋定則，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Bf，方向向右。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點根據(jù)分析可知，流入兩相對稱電流，兩相繞組便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來。判斷過程如下：①轉(zhuǎn)子電流方向的確定：當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)右手定則，確定轉(zhuǎn)子內(nèi)部電流方向。②轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的確定：根據(jù)左手定則，判斷出導(dǎo)條的轉(zhuǎn)矩方向，也是順時針方向。因此，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動起來5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為：

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于定子繞組的極對數(shù)和電源的頻率。交流伺服電動機(jī)使用的電源頻率通常是標(biāo)準(zhǔn)頻率f=400Hz或50Hz。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同把控制電壓的相位改變180°，則可改變何服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點（3）兩相交流伺服電動機(jī)特點兩相交流伺服電動機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以兩相交流伺服電動機(jī)與單機(jī)異步電動機(jī)相比，有以下顯著特點：①起動轉(zhuǎn)矩大。由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖5-16中曲線1所示，與普通異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性〔機(jī)械特性〕更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。②運行范圍較寬，能在寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。根據(jù)圖5-16可知，轉(zhuǎn)差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電機(jī)都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點③轉(zhuǎn)子的慣性小，響應(yīng)快，隨控制電壓改變反應(yīng)很靈敏。當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。④在勵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，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。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。假設(shè)控制電壓為大小為UK，則交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性如圖5-17所示。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點⑤無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對伺服電動機(jī)的要求是控制電壓一旦取消，電動機(jī)必須立即停轉(zhuǎn)，但根據(jù)單相異步電動機(jī)的原理，若電動機(jī)一旦轉(zhuǎn)動以后，再取消控制電壓，僅勵磁電壓單相供電，則它將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，即存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這意味著失去控制作用，這是不允許的，如何解決這個矛盾呢？下面將重點介紹消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的措施。其解決辦法就是使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條具有較大電阻，從三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性可知，轉(zhuǎn)子電阻對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性影響很大。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻R21<R22<R23時，n=f（T）曲線如圖5-18所示。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點轉(zhuǎn)子電阻越大，達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)子電阻增大到一定程度（例如圖中R23）時，最大轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)在S>1附近。為此目的，一般把伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻R設(shè)計得很大，這可使電動機(jī)在失去控制信號，即成單相運行時，正轉(zhuǎn)矩或負(fù)轉(zhuǎn)矩的最大值均出現(xiàn)在Sm＞1處，這樣就可得出圖5-19所示的機(jī)械特性曲線。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點當(dāng)控制電壓Uk降為0，勵磁電壓Uf和電流if仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個脈動磁場（如圖5-11“單相交流電時序及產(chǎn)生的交變磁場”，產(chǎn)生左右變化的脈動磁場），此磁場可以視為正、反旋轉(zhuǎn)磁場的合成，如圖5-20所示。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動磁場分解的正向旋轉(zhuǎn)磁場n+、反向旋轉(zhuǎn)磁場n-對應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉(zhuǎn)矩曲線。假設(shè)電動機(jī)原來在單一正向旋轉(zhuǎn)磁場的帶動下運行于A點，此時負(fù)載力矩是ML，一旦信號消失，電機(jī)即按合成曲線T運行。由于慣性轉(zhuǎn)速n不變，運動點由A移到B，此時電機(jī)產(chǎn)生了一個反向的制動力矩MZ。在ML、MZ作用下迅速停止。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點圖5-19中曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動磁場分解的正向旋轉(zhuǎn)磁場n+、反向旋轉(zhuǎn)磁場n-對應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線T為T+和T-合成的轉(zhuǎn)矩曲線。制動轉(zhuǎn)矩的存在，可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動，保證不會存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。停轉(zhuǎn)所需要的時間，比兩相電壓Uc和Uf同時取消，單靠摩擦等制動方法所需的時問要少得多。這正是兩相交流何服電動機(jī)工作時，勵磁繞組始終接在電源上的原因。綜上所述，增大轉(zhuǎn)子電阻R，可使單相供電時合成電磁轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)矩，有利于消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，同時R的增大，還使穩(wěn)定運行段加寬，啟動轉(zhuǎn)矩增大，有利于調(diào)速和啟動。這就是兩相交流何服電動機(jī)的鼠籠導(dǎo)條通常都用高電阻材料制成和杯形轉(zhuǎn)子的壁做得很薄的緣故。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點（4）交流伺服電動機(jī)的控制交流伺服電動機(jī)運行時，若改變控制電壓的大小或改變它與激勵電壓之間的相位角，則旋轉(zhuǎn)磁場都將發(fā)生變化，從而影響到電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，可以通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位來達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。因此，兩相交流伺服電動機(jī)的控制方法有三種：（1）幅值控制，即保持Uk與Uf相差90°條件下，改變Uk幅值大小。（2）相位控制，即保持Uk的幅值不變條件下，改變Uk與Uf之間相位差。（3）幅相控制，即同時改變Uk的幅值和相位。幅值控制的控制電路比較簡單，生產(chǎn)中應(yīng)用最多，下面只討論幅值控制法。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點圖5-21所示的為幅值控制的一種接線圖，從圖中看出，兩相繞組接于同一單相電源，適當(dāng)選擇電容C，使Uf與Uk相角差90°，改變電阻R的大小，即改変控制電壓Uk的大小，可以得到圖5-17所示的不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線。由圖可見，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓也對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。由此看出，何服電動機(jī)的性能，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，因此，系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性都有相應(yīng)的要求，在選擇電動機(jī)時應(yīng)該注意。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點2.直流伺服電動機(jī)（1）直流伺服電動機(jī)原理及類型特點直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動機(jī)基本相同。所不同的是直流伺服電動機(jī)的電樞電流很小，換向并不困難，因此都不用裝換向磁極。并且，為減小轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長，氣隙較小，磁路不飽和，電樞電阻較大。按勵磁方式之不同可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式又分為他勵式、并勵式和串勵式，但一般多用他勵式。永磁式的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生圖5-22（a）所示的為電磁式，圖5-22（b）所示的為永磁式。5.2.2伺服電動機(jī)原理及特點除傳統(tǒng)式外，還有低慣量式直流何服電動機(jī)，它有無槽、杯形、圓盤、無刷電樞幾種，它們的特點如表5-1所示。名

稱勵磁方式產(chǎn)品型號結(jié)構(gòu)特點性能特點一般直流執(zhí)行電動機(jī)電磁或永磁SZ或SY

與普通直流電動機(jī)相同，但電樞鐵芯長度與直徑之比大一些，氣隙較小

具有下垂