《机电一体化系统设计》课件 第12次课交流电机

1第4章控制电动机及其选择计算4.1步进电动机及其控制4.2直流伺服电动机及其控制4.3交流伺服电动机及其控制4.4直线电动机4.5控制电动机选择与计算实例2温故知新2.直流伺服电动机的分类3．伺服电动机的机械特性曲线和调速特性曲线。1.直流伺服电动机的工作原理：磁场的运动Ra越小，K越小，说明转速的变化量越小（外界负载对转速的波动影响越小）。较小的Ra有较硬的机械特性。调速范围内硬度大，运转稳定，调速范围宽。如何控制物料的间距？导学：【学习内容】1．交流伺服电动机的结构及工作原理；2．交流伺服电动机的调速方法；3．伺服电动机与步进电动机的区别。【教学重点】交流伺服电动机的原理、结构及调速方法，交流伺服电动机与步进电动机的区别。【教学难点】

交流伺服电动机的原理、调速方法。

BL(3)系列交流伺服电动机4.3交流伺服电动机1）交流伺服电动机概述交流伺服电动机将输入的交流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。

交流伺服驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。交流异步电机由于结构简单，成本低廉，无电刷磨损问题，维修方便，一向被认为是—种理想的伺服电机。但由于调速问题得不到经济合理的解决，过去发展不快．而新型的交流伺服系统克服了直流驱动系统中存在的一些缺点，采用调频等调速方法，其调速范围与宽调速直流伺服系统相近。交流伺服电机系统驱动器交流伺服电机器2）交流伺服电动机结构交流电机编码器交流电机电源线编码器信号输出线交流伺服电机器2）交流伺服电动机结构交流电机定子转子气隙定子铁心轴线相互垂直的绕组转子铁芯转子鼠笼铜条绕组定子定子转子2）交流伺服电动机结构定子

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转子定子转子2）交流伺服电动机结构1、定子2、转子转子(1)鼠笼形转子与普通鼠笼式交流电机相同。比普通的鼠笼使交流电机的转子细而长，导体采用高电阻的材料制成。为什么伺服电动机的鼠笼形转子细而长？转子细而长，转动惯量小，响应灵敏。伺服电动机能够快速起动。

它的外定子和笼形转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料(如铜、铅)制成空心杯形状，杯子底部固定在转轴上．空心杯的壁很薄(小于0.5mm)。(2)杯形转子由外定子、杯形转子和内定子三部分组成。转子制成薄壁结构。为什么伺服电动机的空心杯转子是薄壁？减小电动机的转动惯量。3、编码器编码器部分5V5V0V0V安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。利用编码器测量伺服电机的转速、转角，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。伺服电机控制精度取决于编码器精度放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1.交流伺服电机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。3）交流伺服电动机工作原理放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––13.励磁绕组串联电容C,通过电容的充放电，使励磁电压落后控制电压信号，是为了产生两相旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图2.当控制绕组通电，因为励磁绕组和控制绕组电流不断变化时，因此便产生两相旋转磁场。此时磁场有逆时针转动的趋势，转子上的导体相对于磁场用顺时针转动的趋势。取转子上的一根导条，用右手定则判断一下导条上的感应电流方向，应该是向左。I此时再用左手定则判断一下磁场对导体的力的作用，应该是向前。转子在磁场力的作用下运动起来。若将控制电压信号U撤掉，两相异步伺服电动机能否停止转动

？在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。负载恒定时，电机的转速随控制电压的大小而变化。控制电压的相位相反时，伺服电机反转。?必须要停止转动。交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转“现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。消除“自转”的方法：增大转子导条的电阻值。交流伺服电机控制电压的作用？驱动器1、主要功能（1）根据给定信号输出与此成正比的控制电压UC；（2）接收编码器的速度和位置信号；（3）I/O信号接口4）交流伺服电动机驱动控制数码显示窗口参数设置键计算机RS232口I/O信号接口编码器信号接口电机电源输入输出接线端子2、外部组成2、外部组成图2-2交流伺服电机系统接线示意图交流伺服电机驱动器连接AC220V

I/O板5）交流伺服电机外部连接根据交流电动机工作原理，当电动机三相绕组通三相交流正弦电源时，转子将产生旋转，其旋转速度可表示为式中：ｓ———电动机的转差率；ｎ———转子旋转速度；ｆ———交流电源频率；ｐ———定子和转子的磁极对数。由式可知，异步电动机的调速方法有三种：１）改变转差率调速（即电压幅值）6）交流伺服电动机的调速ISMD180系列驱动器ISMD0640系列驱动器改变定子电压控制基本原理将电源电压U输入经90°分相电路分解成控制电压Uc和励磁电压Uf，且保持两者相位差为90°将Uf

送给定子励磁绕组，同时将Uc送至交流调压器改变其幅值大小，并提供给定子控制绕组，从而调节交流伺服电机的幅值驱动。驱动单元由90°分相电路和交流调压器构成。不同系列、不同功率的交流伺服电机驱动器也各不相同。保持控制电压UC和励磁电压Uf之间的相位差为90°，仅仅改变控制电压Uc的幅值，来控制电动机转速。这种控制方式叫幅值控制。两绕组空间相差90°时所产生的气隙磁场为圆形旋转磁场，产生的电磁转矩最大；UC＜Uf的幅值时，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。在控制信号消失时，气隙磁场转化为脉动磁场，电动机停止转动。控制电压↓，气隙磁场的椭圆度↑，产生的电磁转矩↓，电动机转速↓改变电压幅值改变定子频率２）改变磁极对数调速磁极对数是电动机出厂时就确定好的。这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数而实现交流电动机调速的。由于磁极对数ｐ是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，这不能满足数控机床要求。３）改变频率调速变频调速是平滑改变定子供电频率ｆ而使转速平滑变化的调速方法。由于可以得到平滑可调的电动机转速，电动机从高速到低速的转差率变化都很小，故具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。因此，变频调速是一种理想的调速方法。交流伺服电机和普通交流电机的区别转子不一样：普通交流电机的转子粗短，伺服电机的转子细长；定子绕组电压不一样：普通交流电机的两个绕组上加的控制电压幅值相同，相位相差90°，因而形成的磁场为圆形；而交流伺服电机的控制电压V1和V2幅值不等，因而形成磁场为椭圆形速度不一样：普通交流电机的速度不变，而伺服电机的速度可以根据要求而改变交、直流伺服电机机械特性哪个更好？直流伺服电机机械特性更好，动态精度高，性能品质好。直流伺服电机的机械特性曲线为线性，而且在不同的控制电压下，其曲线相互平行，斜率不变，属硬特性；交流伺服电机的机械特性为非线性，而且在不同的控制电压下，其特性曲线互不平行，属软特性，低速时更软。课后练习交流伺服电动机的步进电动机有何不同？控制精度不同低频特性不同矩频特性不同过载能力不同运行性能不同速度响应性能不同效率指标不同步进电动机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电动机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电动机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电动机或全数字式交流伺服电动机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。二者的使用性能比较如下：控制精度不同低频特性不同矩频特性不同过载能力不同运行性能不同速度响应性能不同效率指标不同１）控制精度不同两相混合式步进电动机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电动机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电动机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电动机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（ＢＥＲＧＥＲＬＡＨＲ）生产的三相混合式步进电动机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电动机的步距角（如果采用步进电动机细分驱动器，还可以将其细分至更小，比如1.8°／512细分＝0.003515625°）。交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电动机为例，对于带标准2500线编码器的电动机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°／10000＝0.036°对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360°／131072＝9.89秒，是步距角为1.8°的步进电动机的脉冲当量的1／655。２）低频特性不同步进电动机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ＦＦＴ），可检测出机械的共振点，便于系统调整。３）矩频特性不同步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPW。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPW或3000RPW）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。４）过载能力不同步进电动机一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。５）运行性能不同步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电动机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。６）速度响应性能不同步进电动机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400ｍｓ。交流伺服系统的加速性能较好，以松下ＭＳＭＡ400Ｗ交流伺服电动机为例，从静止加速到其额定转速3000RPW仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。7）效率指标不同步进电动机的效率比较低