运动控制系统安装与调试（第2版）课件 5.2.1-5.2.2伺服电动机分类 原理与特点b2

伺服电机运动控制系统的调试五元器件的选型025.2.1伺服电动机结构与分类伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是将输入的电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。当信号电压的大小和极性（或相位）发生变化时，电动机的转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。1.结构组成伺服电动机主要由定子、转子和检测元件构成。5.2.1伺服电动机结构与分类定子上有两个绕组，励磁绕组l1-l2和控制绕组k1-k2。其内部的转子是永磁铁或感应线圈，导磁材料，转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。伺服电机自带编码器等检测元件，编码器检测转角等信号输出反馈值，驱动器根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。伺服电机的控制精确度很大程度决定于编码器的精度。5.2.1伺服电动机结构与分类2.分类按照电流种类不同，伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机。按照结构来分，又可以分为有刷式伺服电动机和无刷式伺服电动机。例如，永磁式直流伺服电动机为有刷式。如图5-8所示。

有刷式——永磁式直流伺服电动机伺服电动机无刷式直流伺服电动机无刷式永磁式同步交流伺服电动机感应式交流伺服电动机图5-8按结构伺服电动机类型5.2.2伺服电动机原理及特点1.交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技木和交流可变速驱动技术的发展，交流伺服驱动技术有了突出的发展。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，交流伺服系统采用了创新的全数字控制的正弦波电动机伺服驱动，交流伺服驱动装置的发展日新月异。两相交流伺服电动机和三相交流伺服电动机同属于感应式交流伺服电动机下面以结构比较简单的两相交流伺服电动机为例进行分析5.2.2伺服电动机原理及特点（1）两相交流伺服电动机的结构两相交流伺服电动机的结构与单相电容式异步电动机的结构相似，分为定子和转子两大部分。定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组l1-l2，另一个是控制绕组k1-k2，它们在空间相隔90°，如图5-8所示。5.2.2伺服电动机原理及特点交流伺服电动机的转子结构形式有两种：高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯转子。①鼠笼转子两相交流伺服电动机

结构与三相鼠笼式电动机转子的结构相似，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。包括鼠笼条、短路环、转子铁心、风扇和编码器等。5.2.2伺服电动机原理及特点转子铁心是由硅钢片叠成的，每片冲成有齿有槽的形状，然后叠压起来将轴压入轴孔内。铁心的每一槽中放有一根导条，所有导条的两端用两个短路环连接，这就构成转子绕组。如果去掉铁心，整个转子绕组形成一鼠笼状。鼠笼的材料有用铜的，也有用铝的，为了制造方便，一般采用铸铝转子，即把铁心叠压后放在模子内用铝浇铸，把鼠笼导条与短路环铸成一体5.2.2伺服电动机原理及特点②空心杯形转子伺服电动机结构空心杯形转子伺服电动机由外定子、内定子、杯形转子、励磁绕组、控制绕组和编码器组成。结构如图5-10所示。5.2.2伺服电动机原理及特点图中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。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，为了减小转动惯量，它的杯壁极薄，仅0.2～0.3mm。杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、外定子是不动的。5.2.2伺服电动机原理及特点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，杯形转子可以看作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，杯形转子的两端也可看作由短路环相连接。这样，杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。从实质上看，在电机中所起的作用完全相同。因此在以后分析时，只以鼠笼转子为例，分析结果对杯形转子电动机也完全适用。5.2.2伺服电动机原理及特点③空心杯形转子伺服电动机的优缺点及选用a.空心杯形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。b.由于空心杯形的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。c.由于空心杯形内、外定子间气隙较大（杯壁厚度加上杯壁两边的气隙），所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，空心杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小。d.空心杯形转子伺服电动机结构和制造工艺比较复杂。因此，目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机，只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下（如积分电路等），才采用非磁性空心杯形转子伺服电动机。5.2.2伺服电动机原理及特点（2）两相交流伺服电动机转动的基本原理单相交流电源的电流时序如图5-11上图所示。电流通过定子线圈时产生交变磁场，如图5-11下图所示。在t1时刻，电流从线圈上端流入为正，产生向左的磁场，为了便于分析，可以分解成左上、左下两个磁场。在t2时刻，电流为0，产生的磁场为0。在t3时刻，电流从线圈上端流出为负，产生向右的磁场，为了便于分析，可以分解成向右上、右下两个磁场。如图在t4时刻，电流为0，产生的磁场为05.2.2伺服电动机原理及特点周而复始，此磁场为左右往复变化的交变磁场。这个磁场并不能使电动机转子转动。如果要使转子转动，则必须先产生旋转磁场。设计电路如图5-12所示。两相交流伺服电动机以单相异步电动机原理为基础，其定子上有励磁、控制两组绕组线圈。通过电容，使两组绕组电流相位互差90°，这种在空间上互差90°电角度，有效匝数相等的两个绕组称为对称两相绕组。

励磁绕组接到电压一定的交流电网Uf上，控制绕组接到控制电压Uk上，当电流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等时，这样的两个电流称为两相对称电流。5.2.2伺服电动机原理及特点ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

在t1时刻，控制电流ik为最大值从k1端流入控制绕组，从k2端流出。励磁电流ik为0。由右手螺旋定则，磁感应强度B=Bk，方向向下。5.2.2伺服电动机原理及特点在t2时刻，励磁电流if为最大值，从l1端流入控制绕组，从l2端流出。控制电流if为0。由右手螺旋定则，磁感应强度B=Bf，方向向左。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服电动机原理及特点在t3时刻，控制电流ik为负最大值，从k2端流入控制绕组，从k1端流出。励磁电流ik为0。由右手螺旋定则，磁感应强度B=Bk，方向向上。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服电动机原理及特点在t4时刻，励磁电流if为负最大值，从l2端流入控制绕组，从l1端流出。控制电流if为0。由右手螺旋定则，磁感应强度B=Bf，方向向右。ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)（5-1）Ifm=Ikm=Im

5.2.2伺服电动机原理及特点根据分析可知，流入两相对称电流，两相绕组便产生了旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟随着旋转磁场以一定的转差率转动起来。判断过程如下：①转子电流方向的确定：当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。根据右手定则，确定转子内部电流方向。②转子旋转方向的确定：根据左手定则，判断出导条的转矩方向，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来5.2.2伺服电动机原理及特点旋转磁场的同步转速为：

旋转磁场的转速决定于定子绕组的极对数和电源的频率。交流伺服电动机使用的电源频率通常是标准频率f=400Hz或50Hz。转子转向与旋转磁场的方向相同把控制电压的相位改变180°，则可改变何服电动机的旋转方向。5.2.2伺服电动机原理及特点（3）两相交流伺服电动机特点两相交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以两相交流伺服电动机与单机异步电动机相比，有以下显著特点：①起动转矩大。由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图5-16中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性〔机械特性〕更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。②运行范围较宽，能在宽范围内连续调节。根据图5-16可知，转差率S在0到1的范围内伺服电机都能稳定运转。5.2.2伺服电动机原理及特点③转子的惯性小，响应快，随控制电压改变反应很灵敏。当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。④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。加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。假设控制电压为大小为UK，则交流伺服电动机的机械特性如图5-17所示。5.2.2伺服电动机原理及特点⑤无自转现象。对伺服电动机的要求是控制电压一旦取消，电动机必须立即停转，但根据单相异步电动机的原理，若电动机一旦转动以后，再取消控制电压，仅励磁电压单相供电，则它将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的，如何解决这个矛盾呢？下面将重点介绍消除“自转”现象的措施。其解决办法就是使转子导条具有较大电阻，从三相异步电动机的机械特性可知，转子电阻对电动机的转速、转矩特性影响很大。当转子电阻R21<R22<R23时，n=f（T）曲线如图5-18所示。5.2.2伺服电动机原理及特点转子电阻越大，达到最大转矩的转速越低，转子电阻增大到一定程度（例如图中R23）时，最大转矩将出现在S>1附近。为此目的，一般把伺服电动机的转子电阻R设计得很大，这可使电动机在失去控制信号，即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在Sm＞1处，这样就可得出图5-19所示的机械特性曲线。5.2.2伺服电动机原理及特点当控制电压Uk降为0，励磁电压Uf和电流if仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场（如图5-11“单相交流电时序及产生的交变磁场”，产生左右变化的脉动磁场），此磁场可以视为正、反旋转磁场的合成，如图5-20所示。5.2.2伺服电动机原理及特点图5-19中曲线T+和T-为去掉控制电压后，脉动磁场分解的正向旋转磁场n+、反向旋转磁场n-对应产生的转矩曲线。曲线T为T+和T-合成的转矩曲线。假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点，此时负载力矩是ML，一旦信号消失，电机即按合成曲线T运行。由于惯性转速n不变，运动点由A移到B，此时电机产生了一个反向的制动力矩MZ。在ML、MZ作用下迅速停止。5.2.2伺服电动机原理及特点图5-19中曲线T+和T-为去掉控制电压后，脉动磁场分解的正向旋转磁场n+、反向旋转磁场n-对应产生的转矩曲线。曲线T为T+和T-合成的转矩曲线。制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，保证不会存在“自转”现象。停转所需要的时间，比两相电压Uc和Uf同时取消，单靠摩擦等制动方法所需的时问要少得多。这正是两相交流何服电动机工作时，励磁绕组始终接在电源上的原因。综上所述，增大转子电阻R，可使单相供电时合成电磁转矩成为制动转矩，有利于消除“自转”现象，同时R的增大，还使稳定运行段加宽，启动转矩增大，有利于调速和启动。这就是两相交流何服电动机的鼠笼导条通常都用高电阻材料制成和杯形转子的壁做得很薄的缘故。5.2.2伺服电动机原理及特点（4）交流伺服电动机的控制交流伺服电动机运行时，若改变控制电压的大小或改变它与激励电压之间的相位角，则旋转磁场都将发生变化，从而影响到电磁转矩。当负载转矩一定时，可以通过调节控制电压的大小或相位来达到改变转速的目的。因此，两相交流伺服电动机的控制方法有三种：（1）幅值控制，即保持Uk与Uf相差90°条件下，改变Uk幅值大小。（2）相位控制，即保持Uk的幅值不变条件下，改变Uk与Uf之间相位差。（3）幅相控制，即同时改变Uk的幅值和相位。幅值控制的控制电路比较简单，生产中应用最多，下面只讨论幅值控制法。5.2.2伺服电动机原理及特点图5-21所示的为幅值控制的一种接线图，从图中看出，两相绕组接于同一单相电源，适当选择电容C，使Uf与Uk相角差90°，改变电阻R的大小，即改変控制电压Uk的大小，可以得到图5-17所示的不同控制电压下的机械特性曲线。由图可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压也对应着不同的转速。由此看出，何服电动机的性能，直接影响着整个系统的性能，因此，系统对伺服电动机的静态特性、动态特性都有相应的要求，在选择电动机时应该注意。5.2.2伺服电动机原理及特点2.直流伺服电动机（1）直流伺服电动机原理及类型特点直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极。并且，为减小转动惯量，转子做得细长，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。按励磁方式之不同可分为电磁式和永磁式两种。电磁式又分为他励式、并励式和串励式，但一般多用他励式。永磁式的磁场由永久磁铁产生图5-22（a）所示的为电磁式，图5-22（b）所示的为永磁式。5.2.2伺服电动机原理及特点除传统式外，还有低惯量式直流何服电动机，它有无槽、杯形、圆盘、无刷电枢几种，它们的特点如表5-1所示。名

称励磁方式产品型号结构特点性能特点一般直流执行电动机电磁或永磁SZ或SY

与普通直流电动机相同，但电枢铁芯长度与直径之比大一些，气隙较小

具有下垂