任务6-1伺服电机基础

项目6伺服电机及其控制任务6-1伺服电机基础能力目标：1、能够正确描述伺服电机的特点、种类及应用2、掌握直流伺服电机的种类、结构及特点3、掌握交流伺服电机的种类、结构及特点4、理解交流伺服电机的工作原理及控制方法知识目标：1、掌握伺服电机的基本结构及工作原理2、理解开环、半闭环及全闭环的概念任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介1、伺服系统概念用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统专指被控制量是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。2、伺服系统的组成控制器被控对象执行环节检测环节比较环节组成伺服（Servo）是ServoMechanism一词的简写，来源于希腊，其含义是奴隶，顾名思义，就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介2、伺服系统的组成比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介3、伺服系统的分类按控制方式分：开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统按驱动元件分：步进式伺服系统直流电机伺服系统交流电机伺服系统任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介3、伺服系统的分类开环系统：指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元器件和电机(步进电机)的性能，无反馈。开环系统也比较容易稳定，精度较低，成本低廉任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介3、伺服系统的分类半闭环系统：位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，通过角位移的测量，间接测量机床工作台的实际位置，并与指令值进行比较，用差值进行控制。半闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，由位置比较、速度控制、伺服电机等组成。任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介3、伺服系统的分类闭环系统：位置检测装置安装在机床工作台上，直接测量工作台的实际位移，并与指令值进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统以交直流伺服电机作为驱动元件，用于高精度设备的控制任务6-1伺服电机基础伺服控制系统简介4、伺服系统的特点精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制有多种反馈比较原理与方法：脉冲比较、相位比较和幅值比较高性能伺服电动机：电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节宽调速范围的速度调节系统：把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移任务6-1伺服电机基础伺服电动机的概念、特点及分类伺服电机（servomotor），也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电压信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功能，每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制。概念：(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。特点：分类：直流伺服电动机和交流伺服电动机任务6-1伺服电机基础伺服电动机的编码器编码器部分

安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。5V5V0V0V伺服电机控制精度取决于编码器精度。编码器任务6-1伺服电机基础伺服电动机的编码器增量式光电编码器结构1-均匀分布透光槽的编码盘2-LED光源3-狭缝4-正弦信号接收器5-余弦信号接收器6-零位读出光电元件7-转轴8-零位标记槽增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用90度相位差的

A、B

两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。任务6-1伺服电机基础直流伺服电动机1、种类和结构按励磁方式分类：电磁式和永磁式按控制方式分类：磁场式和电枢式按结构形式分类：普通型直流伺服电机、盘型电枢直流伺服电机、空心杯

直流伺服电机、无槽型直流伺服电机任务6-1伺服电机基础直流伺服电动机2、直流伺服电机的控制直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机相同通过改变电枢电压U或磁通Φ控制直流伺服电机的转速（与普通直流电机不同）电枢控制

响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好只适合小功率场合，很少使用磁场控制控制方式：注意：永磁式直流伺服电机只能采用电枢控制体现伺服电机特点：电压控制任务6-1伺服电机基础直流伺服电动机3、直流伺服电机的特点（1）稳定性好：具有较硬的机械特性，能够在较宽的速度范围内稳定运行（2）可控性好：具有线性的调节特性，通过控制电枢电压的大小和极性，

控制电机的转速和转向；当电枢电压为零时，由于转子

惯量很小，直流伺服电动机能立即停止。（3）响应迅速：较大的启动转矩和较小的转动惯量，在控制信号的输入、

增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电机能够快速启动，

增速、减速或停止。任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机1、种类同步型（SM）：感应型（IM）：笼型感应电动机，励磁电流和转矩电流可控采用永磁结构的同步电动机，内部有编码器检测磁铁转子的位置任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、结构交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差900的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子转子结构形式：与鼠笼式三相电机转子结构类似空心薄壁圆筒，放置在内定子与外定子之间笼形：杯形：外定子任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理回顾单相异步电动机的工作原理工作绕组起动绕组~S转子CABiAiB交流伺服电机励磁绕组控制绕组任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––

励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。(a）接线图1(b)相量图任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流控制绕组电流不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。上述特点与单相异步电机相似任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理单相异步电动机在转动后，若取消控制电压仅由励磁电压单相供电，电机仍然按原来运行方向继续转动，存在“自转”现象，电机失去控制作用。交流伺服电机要求：静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。结论：交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，将无法克服“自转”现象任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理如何克服“自转”现象呢？(正向)(反向)正转转反当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理如何克服“自转”现象呢？增大转子电阻，使Sm>1Sm表示最大转矩对应的转差率T1maxS1m当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。控制电压不等于零时的机械特性曲线任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机2、工作原理加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。TU20.8U20.6

U20.4U2on不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数体现伺服电机特点：电压控制任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机3、控制方法控制电压幅值励磁电压幅值两电压之间的相位差交流伺服电机的控制转速和转向两相交流伺服电动机的控制方法：幅值控制相位控制幅相控制任务6-1伺服电机基础交流伺服电动机3、控制方法(1)幅值控制：控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，来控制电动机的转速。在一定负载转矩情况下，控制电压越高，电动机转速也越高。ABC

设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制