项目四任务五点三伺服电动机的工作原理讲解

数控机床控制技术应用

项目四：CNC数控装置与伺服系统河南工业职业技术学院主讲人：彭二宝任务五：伺服电动机的工作原理一、直流伺服电动机三、交流伺服电机二、直流力矩电动机授课内容

简介

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。功能：电压信号

转轴的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的基本要求：宽广的调速范围机械特性和调节特性为线性无“自转”现象---控制电压为零时能立即自行停转快速响应2.1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，它可以再分为电磁式和永磁式两种；定子铁心冲片电枢冲片低惯量型直流伺服电动机A.盘形电枢直流伺服电动机：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；绕组的径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘；电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器。A.盘形电枢直流伺服电动机：绕组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、外定子间的气隙中旋转国产型号：SYKC.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。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，适用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机。磁极控制—调节磁通来控制转速，仅适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，很少采用。本课程只介绍直流伺服电动机的电枢控制。机械时间常数与转动惯量成正比；与电机的每极气隙磁通F的平方成反比，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的大小成正比，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，应计入放大器的内阻Ri，Ra+Ri；直流伺服电动机的机械时间常数一般<30ms，低惯量直流伺服电机的时间常数<10ms。2.2直流力矩电动机(TorqueMotor)性能特点：低速、大转矩，转矩波动小，特性的直线性好，在堵转条件下能长期工作。原理：与一般直流伺服电动机相同。结构特点：与一般直流伺电动机不同，呈扁平形，以获得较大的转矩。电枢长度与直径之比一般为0.2左右。思考题：为什么在电枢体积相同、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2.3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度的绕组，即控制绕组和励磁绕组。工作原理：与普通两相异步电机的相似之处：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的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的大小或相位时，气隙磁场就发生变化，电磁转矩随之变化，电机转速必然跟着改变，从而实现对转速的控制。区别：由于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)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱，转动方向能反应控制信号的相位，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，应立即停止转动；（4）为减小体积和重量，一般采用400、500或1000Hz。原理交流伺服电动机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90

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交流伺服电动机结构图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)相量图工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近于90º，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。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。

交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。转动原理电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ定子绕组通入交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s

例1：一台电动机，其额定转速

n=975r/min，n0=1000r/min.电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：额定转差率为不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服电动机的机械特性如图所示。在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:如何满足上述要求？增大转子电阻！增大转子电阻的三个好处：能消除自转现象：正常转子电阻时的单相转矩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，不会因控制信号的消失而停转，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的。增大转子电阻后的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，处于单运行状态的电机由于电磁转矩为制动性质而能迅速停转。因此，增大转子电阻是防止交流伺服电动机出现“自转”现象的有效措施。两相合成转矩可以增大调速范围由电机学原理知，异步电机的稳定运行区仅在：0<s<sk，而正常电机的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。使机械特性更加线性

如右图中，曲线3的线性度比曲线2要好。sk1=0.2,sk2=1.1,sk3=1.8控制方法

根据电机学原理，上述结构的交流电机，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电度的两个绕组，只要它们产生时间上不同相的脉动磁势，电机气隙中就将形成椭圆形旋转磁场，使转子获得转矩而旋转。如果这两个绕组的脉动磁势幅值相同，且时间上相差90电度，则气隙中将形成圆形旋转磁场，电机便运行在最佳工作状态。当激磁绕组接至电压值不变的激磁电源，若控制信号的大小或者它与激磁电压间的相位发生改变，都能改变电机气隙磁场的椭圆度，也就能够影响电机的工作状态，达到对电机控制的目的。据此，交流伺服电机有下列几种控制方法：幅值控制

控制电压与激磁电压之间保持90度相位差不变，通过改变控制信号（电压）的幅值来改变电机的转速。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：相位控制控制电压的幅值保持不变，通过改变控制电压对激磁电压的相角来实现对电机的控制。由于与激磁电压相差90度的电压为：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的激磁电源，当改变控制电压幅值时，由于激磁回路电流发生变化，使激磁绕组及其串联电容上的电压分布发生变化，从而使控制电压与激磁绕组上的电压间的相位角也发生变化。当改变控制电压的幅值以改变转速时，由于转子绕组的耦合作用，激磁电流If的大小和相位都会改变，致使激磁绕组上的电压的大小和相位也随之改变。所以，这是一种幅值和相位的复合控制方式。Cph双相控制

激磁电压与控制电压间的相位固定为90度，而激磁电压的幅值随控制信号的改变而同样的改变，也就是说，不论控制信号大小，电机始终在圆形旋转磁场下工作，可获得最大输出功率和效率。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，可用两个反向旋转的圆形旋转磁场表示可见，转矩与转速的关系十分复杂。因此，常用电机的实际参数按转矩公式进行计算，作出不同信号系数时的机械特性曲线。由于是用标么值表示，所以具有普启遍意义。由机械特性，采用作图的方法可得到调节特性。幅值控制时的机械特性幅值控制时的调节特性1.幅值控制时的静态特性2.相位控制时的静态特性相位控制时的机械特性相位控制时的调节特性3.电容控制时的静态特性

定义获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，使电机在起动时获得圆形旋转磁场，起动后为椭圆形磁场，故电容控制时电机的理想空载转速都低于同步速。电容控制时的机械特性电容控制时的调节特性4.双相控制时的静态特性

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。双相控制时的机械特性双相控制时的调节特性分析：

各种控制方式下的调节（控制）特性均为非线性，但是在相对速度较小、信号系数较小时，都接近直线。所以，为获得线性的调节特性，伺服电机应工作在相对转速较低的状态下。办法：提高工作频率例：0~2400r/m的转速范围，

f=50Hz时，相对转速：0~0.8；

f=500Hz时，相对转速：0~0.08.性能指标空载始动电压Us0在额定激磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压称为空载始动电压Us0，通常用额定控制电压的百分数表示。Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高，一般不大于3~4%。机械特性的非线性度Km

在额定激磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在T=Tst/2时的速度差与空载转速之比百分数。始动电压机械特性非线性度调节特性的非线性度K

在额定激磁电压和空载情况下，当有效信号系数

e为0.7时，实际调节特性与线性调节特性的速度差与空载转速之比的百分数。机电时间常数

m

e=1时的机械特性近似为一直线，所对应的机电时间常数为：交流伺服电动