(4.2.1)-4.2伺服电机工业机器人

第四章：机器人关键部件4.2伺服电机伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。第四章：机器人关键部件4.2伺服电机伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。机器人对直流伺服电机的基本要求：宽广的调速范围机械特性和调速特性均为线性无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转）快速响应好直流伺服电机两种类型：传统型和低惯量型。传统型就是微型他励直流电动机，由定子、转子组成。按定子磁极的种类分为两种，永磁式和电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。低惯量型的特点是转子轻转动惯量小快速响应好。按照电枢型式的不同分为三种，盘形电枢直流伺服电机、空心杯电枢永磁式直流伺服电机无槽电枢直流伺服电机。4.2.1直流伺服电机第四章：机器人关键部件——电机的理想空载转速；R——电枢电阻；——直流电机电动势结构常数；——转矩结构常数。——磁通；T——转矩；直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制。电枢控制就是把电枢绕组作为控制绕组，电枢电压作为控制电压，而励磁电压恒定不变。通过改变控制电压来控制直流伺服电动机的运行状态。在电枢控制方式下，直流伺服电机的主要静态特性是机械特性和调节特性。(1)．机械特性

直流伺服电机的机械特性公式如下：直流伺服电机机械特性4.2.1直流伺服电机第四章：机器人关键部件(2)．调节特性当T一定时，控制电压高则转速也高，转速的增加于控制电压的增加成正比，这是理想的调节特性。T=T1时，始动电压为U1。一般把调节特性曲线上横坐标从零到始动电压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电机也不能转动。

直流伺服电机调节特性

4.2.1直流伺服电机第四章：机器人关键部件直流电机本身存在不足：机械接触式换向器结构复杂；在运行中容易产生火花；换向器的机械强度不高；电刷易于磨损；不适于有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气体的场合；对于一些大功率的输出要求不能满足要求。直流伺服电机4.2.1直流伺服电机第四章：机器人关键部件交流伺服电机的特点：结构简单，制造方便，价格低廉；而且坚固耐用，惯量小，运行可靠；很少需要维护，可用于恶劣环境等优点；机器人领域逐渐有代替直流伺服电机趋势。交流伺服电机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。定子铁心中安放着空间互成90度电角度的两相绕组，一组为激磁绕组，一组为控制绕组。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uc。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。4.2.2交流伺服电机第四章：机器人关键部件通入励磁绕组及控制绕组的电流，在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向。当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uf和控制电压Uc之间，应有90度的相位差。常用的方法有：1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相；2）利用三相电源的任意线电压采用移相网络；3）在激磁相中串联电容器。4.2.2交流伺服电机第四章：机器人关键部件(1)．交流伺服电机的结构交流伺服电机为两相异步电动机，一相为励磁绕组，一相为控制绕组。交流伺服电机也必须具有宽广的调速范围、线性的机械特性和快速响应等性能，除此以外，还应无“自转”现象。当控制电压Uc=0时，电机应当停止旋转，而实际情况是，当转子电阻较小时，两相异步电机运转起来后，若Uc=0，电动机便成为单项异步电机继续运行，并不停转，出现了所谓的“自转”现象，使自动控制系统失控。4.2.2交流伺服电机第四章：机器人关键部件(2)．交流伺服电机的转子有三种结构形式：高电阻率导条的鼠笼转子、非磁性空心杯转子和铁磁性空心转子。（a）高电阻率导条的鼠笼转子采用高电阻率的导电材料做成的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；国内生产的SL系列的交流伺服电机就是采用这种结构。4.2.2交流伺服电机第四章：机器人关键部件（b）非磁性空心杯转子在外定子铁心槽中放置空间相距90º的两相分布绕组；内定子铁心由硅钢片叠成，不放绕组，仅作为磁路的一部分；由铝合金制成的空心杯转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定;采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm；为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子;空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳。（c）铁磁性空心转子转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组；结构简单，但当定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单边磁拉力而被“吸住”;目前应用较少。4.2.2交流伺服电机第四章：机器人关键部件交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有：较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”