伺服电动机市公开课一等奖省赛课获奖课件

2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材

伺服电动机和伺服系统伺服电动机第1页2.伺服电动机和伺服系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.1介绍

伺服电动机又称执行电机，在自动控制系统中作为执行元件。功效：电压信号转轴角位移或角速度分类：直流伺服电机---功率较大，几百瓦，也可达数千瓦。交流伺服电机---两相伺服电动机，功率较小，数十瓦。自动控制系统对伺服电动机基本要求：宽广调速范围机械特征和调整特征为线性无“自转”现象---控制电压为零时能马上自行停转快速响应伺服电动机第2页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统2.2直流伺服电动机(DCServoMotor)结构与分类传统型直流伺服电动机其结构与普通进流电动机基本相同，它能够再分为电磁式和永磁式两种；定子铁心冲片电枢冲片伺服电动机第3页普通高等教育“十一五”国家级规划教材低惯量型直流伺服电动机A.盘形电枢直流伺服电动机：2.伺服电动机和伺服系统定子有永久磁铁；气隙位于圆盘两边；圆盘上有印刷绕组或绕线式绕组；绕组径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘；电枢绕组有效部分裸导体表面兼作换向器。伺服电动机第4页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统A.盘形电枢直流伺服电动机：绕组伺服电动机第5页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统B.空心杯电枢永磁式直流伺服电动机1-内定子，2-外定子，3-空心杯电枢，4-电刷，5-换向器外定子为磁钢，内定子为软磁材料，或反之；非磁性空心杯电枢上可为印刷绕组，也可为绕线式绕组；空心杯直接装在电机轴上，在内、外定子间气隙中旋转国产型号：SYK伺服电动机第6页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统C.无槽电枢直流伺服电动机电枢铁心上无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将它与电枢铁心固化为一个整体；定子磁极为电磁或永磁式；国产型号：SWC。伺服电动机第7页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统控制方式由直流电机原理知道：直流伺服电动机有两种基本控制方式：电枢控制—改变电枢电压来控制转速，适合用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机。磁极控制—调整磁通来控制转速，仅适合用于电励磁直流伺服电动机。但因停转时电枢电流大，磁极绕组匝数多、电感大，时间常数大等缺点，极少采取。本课程只介绍直流伺服电动机电枢控制。伺服电动机第8页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统不考虑电机磁路饱和，并忽略负载时电枢反应影响，则励磁磁通正比于励磁电压，即：伺服电动机第9页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统

机械特征

控制电压恒定时，电机转速随转矩改变关系理想空载转速：堵转转矩：机械特征斜率：伺服电动机第10页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统调整特征

负载转矩恒定时，转速随控制电压改变调整特征与横坐标交点，就表示在某一电磁转矩时电动机始动电压。从原点到始动电压点一段范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机失灵区，也称死区。伺服电动机第11页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统动态方程式电压方程运动方程伺服电动机第12页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统设：机电时间常数电气时间常数当已知各常数，就可解该方程，取得角速度改变规律伺服电动机第13页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统传递函数对上述方程式进行拉氏变换，用s表示拉氏算子，则可得以下象函数方程：每个方程都能够用一个方块图表示。伺服电动机第14页2.伺服电动机和伺服系统方块图普通高等教育“十一五”国家级规划教材伺服电动机第15页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统设TL=0，则可简化为：结构图伺服电动机第16页传递函数：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第17页通常，，所以近似有：时间常数设电枢外施阶跃电压Uc，其象函数为：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第18页利用拉氏反变换公式：可得电机角速度随时间改变规律为：机械时间常数定义：当电动机空载时电枢外施阶跃电压，其角速度从0上升到稳定角速度63.2%时所需要时间。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第19页机械时间常数与转动惯量成正比；与电机每极气隙磁通F平方成反比，为了减小电机机械时间常数，应增加每极气隙磁通；与电枢电阻Ra大小成正比，为减小时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统，并由放大器供给控制电压时，应计入放大器内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机机械时间常数普通<30ms，低惯量直流伺服电机时间常数<10ms。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第20页机械时间常数也可写为：可见，机械特征曲线越平坦(即机械特征越硬)，则tm越小。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第21页2.3直流力矩电动机(TorqueMotor)性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特征直线性好，在堵转条件下能长久工作。原理：与普通直流伺服电动机相同。结构特点：与普通直流伺电动机不一样，呈扁平形，以取得较大转矩。电枢长度与直径之比普通为0.2左右。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第22页思索题：为何在电枢体积相同、电枢电流和电流密度相同以及磁密相同条件下，能产生较大转矩？1-定子；2-转子；3-电刷；4-电枢绕组；5-槽楔兼换向器片；6-铜环普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第23页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第24页电枢导体所占截面积：Ke—电枢截面利用系数，即槽面积占电枢截面百分比系数；Kf—槽满率。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统当电枢电流相同，电流密度相同时，导线直径相同伺服电动机第25页电机电磁转矩表示式：空载转速与电枢形状关系普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第26页2.4交流伺服电机(ACServoMotor)结构特点和工作原理

交流伺服电机通常都是两相异步电机，在定子上有两个空间相距90度绕组，即控制绕组和励磁绕组。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第27页Rotor笼型转子非磁性空心杯转子铁磁性空心杯转子杯壁厚0.2~0.8mm，J小杯壁.5~3mm，J较大，有单边磁拉力，已较少用普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第28页工作原理：与普通两相异步电机相同之处：在二相对称绕组中通入两对称电流，就会在气隙中产生圆形旋转磁场，转子导体切割磁场所感应电流与气隙磁磁场相互作用就产生电磁转矩。当改变其中一相电流大小或相位时，气隙磁场就发生改变，电磁转矩随之改变，电机转速必定跟着改变，从而实现对转速控制。区分：因为伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件。对其要求是：(1)转子速度快慢能反应控制信号强弱，转动方向能反应控制信号相位，调速范围要宽；（2）无控制信号时，转子不能转动；（3）当电机转动起来以后，如控制信号消失，应马上停顿转动；（4）为减小体积和重量，普通采取400、500或1000Hz。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第29页怎样满足上述要求？增大转子电阻！增大转子电阻三个好处：能消除自转现象：正常转子电阻时单相转矩T=T1+T2，在正向旋转时，0<s<1，T>0。所以，只要负载转矩不太大，转子仍能继续旋转，不会因控制信号消失而停转，这种“自转”现象使伺服电动机失去控制，在自动控制系统中是不允许。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第30页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第31页增大转子电阻后单相转矩增大转子电阻，使sk>1，则合成单相转矩在电动机正向旋转范围内为负值，即T<0。这就是说，控制信号消失后，处于单运行状态电机因为电磁转矩为制动性质而能快速停转。所以，增大转子电阻是预防交流伺服电动机出现“自转”现象有效办法。两相合成转矩普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第32页能够增大调速范围由电机学原理知，异步电机稳定运行区仅在：0<s<sk，而正常电机sk=0.1~0.2,所以调速范围甚小。增大转子电阻，使sk增大，从而增大调速范围。使机械特征愈加线性

如右图中，曲线3线性度比曲线2要好。sk1=0.2,sk2=1.1,sk3=1.8普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第33页控制方法

依据电机学原理，上述结构交流电机，必须使定子绕组产生一旋转磁势，转子才能转动。由旋转磁场理论，对于在空间相距90电度两个绕组，只要它们产生时间上不一样相脉动磁势，电机气隙中就将形成椭圆形旋转磁场，使转子取得转矩而旋转。假如这两个绕组脉动磁势幅值相同，且时间上相差90电度，则气隙中将形成圆形旋转磁场，电机便运行在最正确工作状态。当激磁绕组接至电压值不变激磁电源，若控制信号大小或者它与激磁电压间相位发生改变，都能改变电机气隙磁场椭圆度，也就能够影响电机工作状态，到达对电机控制目标。据此，交流伺服电机有以下几个控制方法：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第34页幅值控制

控制电压与激磁电压之间保持90度相位差不变，经过改变控制信号（电压）幅值来改变电机转速。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第35页最不对称，脉振磁场对称，圆形旋转磁场不对称，椭圆形旋转磁场定义：为信号系数，则：相位控制控制电压幅值保持不变，经过改变控制电压对激磁电压相角来实现对电机控制。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第36页普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第37页因为与激磁电压相差90度电压为：所以信号系数定义为：脉振磁场椭圆形磁场圆形磁场幅值相位控制（电容控制）

激磁回路串联电容后接到相位和幅值都不变激磁电源，当改变控制电压幅值时，因为激磁回路电流发生改变，使激磁绕组及其串联电容上电压分布发生改变，从而使控制电压与激磁绕组上电压间相位角也发生改变。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第38页当改变控制电压幅值以改变转速时，因为转子绕组耦合作用，激磁电流If大小和相位都会改变，致使激磁绕组上电压大小和相位也随之改变。所以，这是一个幅值和相位复合控制方式。Cph普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第39页双相控制

激磁电压与控制电压间相位固定为90度，而激磁电压幅值随控制信号改变而一样改变，也就是说，不论控制信号大小，电机一直在圆形旋转磁场下工作，可取得最大输出功率和效率。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第40页交流伺服伺服电动机理论分析—对称分量法

实际上，两相伺服电动机是在两相不对称绕组上外施两相不对称电压运行异步电机。1.对称分量分析两相伺服电动机原理图

磁动势对称分量相量图普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第41页将励磁绕各量归算至控制绕组，两个绕组有效匝数相同，均为Wckwc，则磁动势可用对应电流关系来表示。式中普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第42页2、等效电路和电压方程控制绕组正序等效电路

控制绕组负序等效电路

励磁绕组正序等效电路

励磁绕组负序等效电路

普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第43页3、绕组电流每一相序电流分量只在它对应相序阻抗中产生电压降。即正序电流只在正序阻抗中产生电压降，而负序电流只在负序阻抗中产生电压降。在励磁绕组和控制绕组回路中有电压方程：

普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第44页4、功率与转矩

由正向磁场产生功率：由负向磁场产生功率：合成转矩：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第45页交流伺服电动机静态特征

和直流伺服电动机一样，可用机械特征和调整特征来表征交流伺服电动机静态运行性能。1.幅值控制时静态特征励磁绕组中不接电容，X’ca=0普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第46页电磁转矩为了简化表示式和使分析结论更具普遍性，将上式以标么值形式表示。选取圆形旋转磁场时堵转转矩作为转矩基值。因取得圆形旋转磁场条件是，而堵转时

普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第47页转矩基值：转矩标么值：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第48页圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态脉动磁场，电机不对称程度最大椭圆形旋转磁场，可用两个反向旋转圆形旋转磁场表示可见，转矩与转速关系十分复杂。所以，惯用电机实际参数按转矩公式进行计算，作出不一样信号系数时机械特征曲线。因为是用标么值表示，所以含有普启遍意义。由机械特征，采取作图方法可得到调整特征。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第49页幅值控制时机械特征幅值控制时调整特征普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统1.幅值控制时静态特征伺服电动机第50页2.相位控制时静态特征普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统相位控制时机械特征相位控制时调整特征伺服电动机第51页3.电容控制时静态特征

定义取得圆形旋转磁场时信号系数为a0，为使伺服电机有较大起动转矩，使电机在起动时取得圆形旋转磁场，起动后为椭圆形磁场，故电容控制时电机理想空载转速都低于同时速。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统电容控制时机械特征电容控制时调整特征伺服电动机第52页4.双相控制时静态特征

信号系数定义为实际控制信号与额定信号电压(电机铭牌上有注明)之比。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统双相控制时机械特征双相控制时调整特征伺服电动机第53页分析：

各种控制方式下调整（控制）特征均为非线性，不过在相对速度较小、信号系数较小时，都靠近直线。所以，为取得线性调整特征，伺服电机应工作在相对转速较低状态下。方法：提升工作频率例：0~2400r/m转速范围，

f=50Hz时，相对转速：0~0.8；

f=500Hz时，相对转速：0~0.08.普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第54页交流伺服电动机动态特征

交流伺服电机动态特征分析方法与直流伺服电动机类似，主要区分是，交流伺服电动机机械特征和调整特征均为非线性。下面以幅值控制为例说明交流伺服电动机动态特征分析方法。电机机械运动方程为：因为机械特征非线性，求解上式非常困难。简化方法是将机械特征线性化，即用一条经过实际机械特征起动转矩和空载转速点直线代替非线性机械特征。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第55页Tenn0TstnTem0a两边同乘以普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第56页对照直流伺服电动机动态方程可知：机械特征非线性对时间常数影响，是使机械时间常数变小。Temnn0TstnTem0a普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.伺服电动机和伺服系统伺服电动机第57页实际两相伺服电动机u值不超出0.2，所以，Ku值就近似于1，这么，它机械时间常数仍能够近似地用理想引性机械特征时机械时间常数代替，由此引发误差不超出22%。性能指标空载始动电压Us0在额定激磁电压和空载情况下，使