第三章执行元件的选择与设计1-补充

1第三章

执行元件的选择与设计什么是伺服电机伺服电机之定义：

伺服（Servo）源自于英文「Servant」，即『马达能够依据命令、忠实的移动』。通过检测装置、时时刻刻的监督伺服马达是否依照所输入的指令移动。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机伺服电机之特长：1.由于转子惯量较小、可达成急加速、急减速、急停等要求。2.马达小型化3.具备更精密的位置及速度控制功能。3伺服电机主要分为直流伺服电机和交流伺服电机，其中直流伺服又分为有刷直流伺服和无刷直流伺服，交流伺服又分为异步交流伺服和永磁同步交流伺服。实际上无刷直流伺服也算是交流伺服一派的，只不过区别在于用直流供电，并控制器电子换向实现交流电机驱动。伺服电机分类伺服马达之分类DC伺服马达

AC伺服马达1、线圈会旋转2、定子为永久磁铁3、有碳刷及整流子1、定子为线圈2、转子为永久磁铁3、无碳刷及整流子直流电机工作原理5永磁铁与电磁线圈6直流电机的定子都包含哪几部分？各部分作用如何？

在直流电动机中，电枢所加电压已是直流，为什么还要加装换向器？如果直流电机没有换向器，还能转动吗？想想练练直流电机的转子都包含哪几部分？各部分作用如何？

7直流电机应用转矩变化大精度要求不高速度固定：三速直流伺服电动机直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同，只是为减小转动惯量，电机做得细长一些？直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压U2为电枢电压？MU1I1IaU2放大器U++––直流伺服电动机的接线图励磁绕组磁场VS.永磁铁磁场（他励）9

直流电动机有哪些励磁方式？应用得较多的有哪几种？

直流电动机的电枢绕组中通过的电流是直流吗？为什么？

为什么说直流电动机中的感应电动势是反电动势？这个反电动势与发电机中的感应电动势有何不同？

想想练练

常用的直流伺服电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机

混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机

直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型-恒转矩）；

直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机，

（动力驱动型-恒功率）。

1.静态特性

电磁转矩由下式表示:

（6.1）

KT

—转矩常数；

Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:

（6.2）

Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。

电枢反电势与转速之间有以下关系：

（6.3）

Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。

根据以上各式可以求得：电机转速（负载）

（6.4）（一）直流电机的工作特性

当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）

当转速为零时：启动转矩(6.6）

当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（6.7）

图6.7

直流电机的机械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

负载变化时，转速线性变化，幅度小

2.动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为

（6.8）

式中

TM─电机电磁转矩；

TL─折算到电机轴上的负载转矩；

ω─电机转子角速度；

J─电机转子上总转动惯量；

t─时间自变量。

1.永磁直流伺服电机的性能特点

1)低转速大惯量

2)转矩大

3)起动力矩大

4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小

2.永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述

1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）

2)负载-工作周期曲线

过载倍数Tmd，负载工作周期比d。

3)数据表：n、T、时间常数、转动惯量等等。

（二）永磁直流伺服电机的工作特性

d%过载倍数80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tR

6103060100tR(min)

图6﹒9负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限

12000

10000

瞬时换向极限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

换向极限

速度极限

4000

温度极限

2000Ⅰ

050010001500n图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线

Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区

（三）永磁直流伺服电机的工作特性

3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线（电枢外加电压改变）

负载工作周期比（三）主轴直流伺服电机的工作原理和特性（励磁磁通变）OnjnmaxnP,T12图6.10直流主轴电机特性曲线1-转矩特性曲线2-功率特性曲线（四）直流进给运动的速度控制1.、直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ⑴改变电枢外加电压Ua（电枢电流）:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。

2.直流速度控制单元调速控制方式◆晶闸管（可控硅）调速系统◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统18数控机床用电机主要有两种电机：进给伺服电机和主轴电机。数控机床对主轴电机和伺服电机的要求不同：

数控机床对进给伺服电机的要求主要为：(1)机械特性：要求伺服电机的速降小、刚度大；

(2)快速响应的要求：这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格；

(3)调速范围：这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质；适应于各种不同的加工工艺；

(4)一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的阻力，因此主要是"恒转矩"的性质。对高速电主轴的要求主要为：

(1)足够的输出功率，数控机床的主轴负载性质近似于"恒功率"，也就是当机床的电主轴转速高时，输出转矩较小；主轴转速低时，输出转矩大；即要求主轴驱动装置要具有"恒功率"的性质；

(2)调速范围：为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质；适应于各种不同的加工工艺，要求主轴电机具有一定的调速范围。但对主轴的要求比进给低；

(3)速度精度：一般要求静差度小于5％，更高的要求为小于1％；

(4)快速：主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这就要求它也具有一定的快速性。伺服电机和主轴电机的输出指标不同

伺服电机以转矩(N.m)，主轴以功率(kW)为指标。

这是因为，伺服电机和主轴电机在数控机床里作用不同，伺服电机驱动机床的工作台，工作台的负载阻尼为折合到电机轴上的转矩，所以伺服电机以转矩(N.m)为指标。主轴电机驱动机床的主轴，它的负载必需满足机床的功率，所以主轴电机以功率(kW)为指标。这是习惯的叫法。其实，通过力学公式的换算，这两个指标可以进行互算。19速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-（1）晶闸管调速系统的组成直流伺服电机的速度控制20可控硅速度控制的原理：①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统的组成速度调节器电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈U～usrusf整流功放§6.4直流伺服电机直流伺服电机的速度控制图3-5速度反馈PWM调速系统的特点①频带宽、频率高:

晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控硅（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。②电流脉动小:

由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动有平滑作用，波形系数接近于1。③电源的功率因数高:

SCR(可控硅)系统因导通角影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM

系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。④动态硬度好:

校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

直流伺服电机存在如下缺点

它的电枢绕组在转子上不利于散热；由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类：

SM同步电机和IM感应电机24交流伺服电动机交流伺服电动机结构交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。励磁绕组磁场VS.永磁铁磁场三相异步交流感应电机的工作原理感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为

式中f—电源频率；p—定子极对数。即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。n总是低于ns（异步），否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。永磁同步交流电机的工作原理定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体，且n与ns相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机？20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。30一种高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄。交流伺服电机转子结构的两种形式：放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1

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。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b)相量图

控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组

交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。

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。

若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和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。33

永磁同步电机：控制响应性能最优，主要用于控制，因此市面上大多的伺服电机通常是指永磁同步电机；大家日常说道的伺服电机通常都是指永磁同步电机。

异步电机：控制技术的不断发展，当前以模拟信号控制的异步电机在控制响应方面性能也跟上来了，且其亦具备永磁同步电机不具备的优点，因此异步伺服电机作为伺服电机行业的一股新生力量也在渐露头角。永磁同步型与感应异步型比较34永磁同步伺服电机

永磁同步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）。特点如下：35

控制速度非常快，从启动到额定转速只需几毫秒；而相同情况下异步电机却需要几秒钟。

启动扭矩大，可以带动大惯量的物体进行运动。

功率密度大，相同功率范围下相比异步电机可以把体积做得更小、重量做得更轻。

运行效率高。

可支持低速长时间运行。

断电无自转现象，可快速控制停止动作。36异步伺服电机

异步伺服电机实际上和异步电机是几乎完全相似的，不过其引入了编码器实现了对电机的闭环控制，因此也可以视为伺服电机的一种。尤其是当前变频调速技术的飞速发展，异步伺服电机的实际控制性能也很不错，配合其支持大功率、高转速的特点，在一些永磁同步电机无法胜任的地方大放异彩。特点如下：37功率可以做得很大，设计成熟，运行可靠性高。

支持高速（过10000rpm）长时间运行，同比下永磁电机最高只能做到6000~8000rpm转速。

性价比高，在对控制精度要求不高的情况下可以替代永磁电机使用。38永磁同步伺服电机应用

精确定位转矩变化快速响应39DC伺服马达与AC伺服马达之比较DC伺服马达1、须定期保养（电刷）2、驱动器设计较为容易3、使用寿命较短4、噪音较大5、响应较差6、启动转矩为额定扭矩AC伺服马达1、不须定期保养2、驱动器设计较为复杂3、使用寿命长4、噪音小5、响应快6、启动转矩为3倍额定扭矩永磁同步交流伺服电机与永磁直流伺服电机的比较电枢在定子上，散热性能好；没有电刷及换向机构，不需经常维护；产生的对外部的电磁干扰小；它的转子上没有电枢且转子磁体多采用磁性很强的稀土材料制成，体积小，转子的转动惯量小，从提高了电机的响应速度；控制比直流伺服电机要复杂的多。伺服控制原理电源变流器平滑回路逆变器IM异步电机速度检出器驱动回路电压/电流检出回路速度检出回路运算回路保护回路运转命令控制回路A控制回路B主回路伺服控制原理伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP1、电流LOOP伺服马达在驱动时由于负载的关系而产生扭矩的缘故，使得流进马达的电流增大，一旦流进马达的电流过大时会造成马达烧毁的情形。为防止此一情形发生，在马达的输出位置加入电流感测装置，当马达电流超过一定电流时，切断伺服驱动器以保护马达。伺服控制原理伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP2、速度LOOP此LOOP是用来检测马达的旋转速度是否依照指令旋转之用，相对于控制装置所提供之指令，速度LOOP控制马达的旋转速度。伺服控制原理伺服马达与伺服驱动器之间的回授LOOP3、位置LOOP此LOOP是用来检测由控制器所输出位置控制指令之后，伺服马达是否移动至指令位置。相对于位置指令值，当检测值过大或过小时，控制伺服马达移动其误差值的部份，达到定位之目的。※依据不同的控制系统之需求，在驱动器中有三种控制模式可供选择速度控制位置控制扭矩控制扭矩指令输入范围0～±10V【正电压－＞CCW扭力】0～额定扭力扭矩控制依据输入电压的大小、达到控制马达输出扭力的目的。扭矩控制扭矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现