《电器设备及控制技术》课件项目18

伺服电动机

一、能力目标 二、仪器与设备 三、项目要求 （一）测试直流伺服电动机的机械特性 1．按图18-1接线。图中电动机采用他励接法，TG选用永磁式直流测速发电机，Rf2选用1800Ω电阻，R1选用540Ω电阻。R2选用180Ω阻值采用分压器接法，RL选用2250Ω阻值，A1、A3选用200mA档，A2、A4选用安培表。伺服电动机

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2．把Rf1调至最小，R1、R2、RL调至最大，开关Q1、Q2打开。先接通励磁电源，再接通电枢电源，并调至220V，电机运行后把R1调至最小。 3．合上开关Q1，调节直流测功机励磁电流If2=100mA校正值不变。逐渐减小RL阻值（注：先调1800Ω阻值，调到最小后用导线短接），并增大Rf1阻值，使n=nN=1600r/min，Ia=IN=1.2A，U=UN=220V，此时电机励磁电流为额定励磁电流。 4．保持此额定电流不变，逐渐增加RL阻值，从额定负载到空载（断开开关Q1），测取其机械特性n=f(T)。记录n、Ia、IF。伺服电动机

5．调节电枢电压为U=160V，调节Rf1，保持电动机励磁电流的额定电流If=IfN，减小RL阻值，使Ia=1A，再增大RL阻值，一直到空载，其间记录。 6．调节电枢电压为U=110V，保持If=IfN不变，减小RL阻值，使Ia=0.8A，再增大RL阻值，一直到空载，其间记录。伺服电动机

（二）测试直流伺服电动机的调节特性 1．保持、不变。调节RL使电动机输出转矩为额定输出转矩时的IF值并保持不变，即保持直流测功机输出电流为额定输出转矩时的电流值（额定输出转矩，调节直流伺服电动机电枢电压，测取直流伺服电动机的调节特性，直到n=100r/min记录。

2．保持电动机输出转矩，重复以上实验，记录7-8组数据。伺服电动机

3．保持电动机输出转矩（即直流测功机与直流伺服电动机脱开，直流伺服电动机直接与测速发电机同轴联接），调节直流伺服电动机电枢电压。当调至最小后合上开关Q2，减小分压电阻R2，直至n=0r/min，其间取7-8组数据记录。 （三）测试空载始动电压和检查空载转速的不稳定性 1．在空载状态下启动电机，把电枢电压调至最小后，合上开关Q2，逐渐减小R2直至n=0r/min，再慢慢增大分压电阻R2，即使电枢电压从零缓慢上升，直至转速开始连续转动，此时的电压即为空载始动电压。伺服电动机

2．正、反向各做三次，取其平均值作为该电机始动电压，将数据记录。 （四）测试交流伺服电动机幅值控制时的机械特性和调节特性 1．测试交流伺服电动机 时的机械特性

（1）按图18-2接线。 （2）启动三相交流电源，调节调压器，时 ，再调节单相调压器T2使 。（3）调节伺服电动机所带负载，逐次增大力矩T，记录电机转速n。伺服电动机

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2．测试交流伺服电动机 时的机械特性 （1）保持 不变，调节单相变压器T2使 。 （2）重复上述步骤，将所测数据记录。 3．测试交流伺服电动机的调节特性

（1）调节三相调压器使 ，并使电动机空载。逐次调节单相调压器T2。使控制电压UC从220V逐次减小到0V。

（2）将每次所测的控制电压UC与电动机转速n记录。伺服电动机

（五）测试交流伺服电动机幅值—相位控制时的机械特性 1．实测交流伺服电动机 ，（即 ）时的机械特性 （1）调节单相调压器T2使 。调节电动机所带负载，从空载逐渐增大负载转矩。 （2）记录电动机从空载至堵转时，电动机负载转矩T及转速n。伺服电动机

2．实测交流伺服电动机 （即 ）时的机械特性 （1）调节三相交流电源和单相调压器使 ，重复上面实验，将数据记录于表18-12中。 四．伺服电动机的构造及工作原理 伺服电动机，按电流种类可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。 （一）直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构和工作原理与普通小型直流电动机相同。有永磁式和电磁式两种基本结构型式。电磁式直流伺服电动机励磁方式采用他励方式；永磁式直流伺服电动机也可看作是一种他励式直流电动机。伺服电动机

一般用电压信号控制直流伺服电动机的转向和转速大小。按照控制方式不同，直流伺服电动机又分为电枢控制和磁场控制两种形式，电枢控制方式中，控制电压Ua加到电枢绕组两端；改变电磁式直流伺服电动机励磁绕组电压Uf的方向和大小的控制方式，叫磁场控制。由于电枢控制可以得到线性的机械特性和调节特性；电枢电路电感比较小，电磁惯性小，反应比较灵敏。所以用的比较多

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电枢控制时 直流伺服电动机的原理图如图18-4所示。励磁绕组通常接到电压为电动机的额定值的电源上进行励磁。电枢绕组就是控制绕组，当控制绕组加控制电压以后，电动机就转动；控制绕组电压消失，电动机就立即停转。电枢控制的直流伺服电动机的机械特性和他励直流电动机改变电压时的人为机械特性一样。 电枢电压即控制电压，为实际控制电压与额定电压之比，叫做信号系数。通常额定控制电压也就是电动机的额定电压。因此机械特性方程式可表示为伺服电动机

当控制信号不同时，即Ua不同时，机械特性为一组平行的直线，如图18-5(a)所示。当Ua大小一定时，转矩T增加时，转速n下降；反之，当转矩T减小时，转速n上升。

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电动机在一定的负载转矩下，转速n与控制电压UK的关系称为电动机的调节特性。由机械特性方程式 可知，当T为常数时， 是一个线性函数，是一个直线方程，直线的斜率为 。 当 时 因此，伺服电动机的调节特性如图18-5(b)所示。伺服电动机

从直流伺服电动机的调节特性上看出，T一定时，转速n与控制电压Ua之间成正比关系。另外，还可以看出，当n=0时，不同的转矩T需要的控制电压Ua也不同。例如：T=T1，Ua=U1，表示只有当控制电压Ua>U1的条件下，电动机才能转起来。另外，控制电压从0～U1一段范围内，电动机不转，故此区域称为电动机的死区或失灵区，称Ul为始动电压。显然，负载越大，死区也越大。空载时，只要有信号电压Ua，电动机就转动。因此直流伺服电动机的调节特性也是很理想的。伺服电动机

直流伺服电动机的优点是具有线性的机械特性，启动转矩大，调速范围宽广而平滑，无自转现象，且与同容量的交流伺服电动机比较，体积小，质量轻。其缺点是转动惯量大，灵敏度差，转速波动大，低速运转不平稳；换向火花大，寿命短，对无线电干扰大。为了适应自动控制系统对伺服电动机快速响应性越来越高的要求，近年来，国内外已在传统直流伺服电动机的基础上，发展了低惯量的无槽电枢、空心杯电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机。

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空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的结构如图18-6所示。它有一个外定子和一个内定子，外定子通常是由两个半圆形的永久磁钢组成。而内定子则为圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路磁阻。空心杯电枢上的绕组可以先绕成单个成形线圈，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，再用环氧树脂固化成形。空心杯电枢直接装在电动机轴上，在内外定子间的气隙中旋转，电枢绕组则接到换向器上，由电刷引出。伺服电动机

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印制绕组直流伺服电动机的转子呈薄片圆盘状，厚度一般为1.5～2mm。转子基片由环氧玻璃布胶板制成，基片两侧的铜箔用印制电路的方法制成双面电枢绕组。这种伺服电动机的定子磁极为永久磁铁，由于转子没有铁心，故转动惯量很小，对控制电压反应快，可用于启动频繁的系统中。 直流伺服电动机一般用在功率稍大的系统中，其输出的功率约为1～600W。目前国内生产的直流伺服电动机主要有SY和SZ两个系列，SY系列为永磁式结构，SZ为电磁式结构。伺服电动机

（二）交流伺服电动机 交流伺服电动机与直流伺服电动机一样，在自动控制系统中也常被用来作为执行元件。在系统中的任务是将输入的交流电信号（如电压的幅值或相位）转换为转子转轴上的机械传动。 由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，在性能指标、参数大小以及具体结构上，自动控制系统对它提出的要求有以下几点：伺服电动机

①调速范围要大，控制信号控制转速和转向应很方便； ②运行稳定，整个运行范围内的特性应具有线性关系； ③要无“自转”现象，当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转； ④控制功率要小，启动转矩要大； ⑤机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。伺服电动机

1．交流伺服电动机结构特点 交流伺服电动机就是两相异步电动机。它的结构同一般异步电动机相似，主要可分为定子和转子两大部分。但是，定子绕组是两相的，一相为励磁绕组Lf，一相为控制绕组LK。通常控制相分成两个独立且相同的部分，它们可以串联或并联，供选择两种控制电压用。两相绕组在空间相差90º电角度。 鼠笼式转子与普通鼠笼式电动机转子相似，制造加工工艺中采用了“一刀通”结构，使定子铁心内圆和轴承室内圆为同一尺寸，一次夹装同时加工，保证了定子内圆和转子外圆的同心度和装配精度，因而可以设计制造成小气隙和转子细而长。鼠笼式交流伺服电机有较高的利用率，体积小，重量轻，机械强度好，能在恶劣的气候和环境条件下可靠地工作。伺服电动机

非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图18-7所示。定子部分由外定子和内定子两部分组成，外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样，内定子由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。伺服电动机

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杯形转子与鼠笼转子从外表形状来看是不一样的。但实际上，杯形转子可以看做是鼠笼条数目非常多的、条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子，这样，杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。在电机中所起的作用也完全相同。 非磁性杯型主要特点是将铝或铜制成空心薄壁结构，与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小。轴承摩擦阻转矩小。由于转子上没有齿和槽，所以定子和转子之间没有齿槽粘合现象，转矩不随轴的位置而发生变化，恒速旋转时转轴一般不会有抖动现象。运转平稳。伺服电动机

比较鼠笼型和非磁性杯型交流伺服电动机，可以看到：鼠笼型交流伺服电动机优点是利用率高，体积小，机械强度高，可靠性高，制造成本低；缺点是有齿槽粘合现象，影响始动电压的降低，低速运转时不够平滑，有抖动现象。 非磁性杯交流伺服电动机优点是转子惯性小，运转平滑，无抖动现象，始动电压低；缺点是内、外定子间气隙较大，励磁电流大，利用率低，体积大，制造成本高。伺服电动机

2．工作原理 交流伺服电动机工作时，励磁绕组Lf两端施加单相交流电压，控制绕组两端施加控制信号电压，与

二者同频率。原理图见图18-8。伺服电动机

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励磁绕组Lf接在励磁电源上，控制电压为零时，气隙内的磁场为脉动磁场，电动机无启动转矩，转子不动，若控制电压加在控制绕组上，且控制绕组电流与励磁绕组电流不同相，则在气隙内建立大小一定的旋转磁场，并产生电磁转矩使转子沿旋转磁场的方向旋转。伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，不仅要求它在静止状态下能服从控制电压命令而转动，而且要求它在受控启动以后，必须像直流伺服机一样具有伺服性，即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，电动机就应该不转了。为了满足信号电压强时转速高、信号电压弱时转速低这一要求，可以让信号强时电机气隙磁势接近圆形旋转磁势，弱