伺服电机从业人员基础培训资料

©ABBGroupApril21,2020|Slide1伺服电机知识培训Levin刘伟13701941241©ABBGroupApril21,2020|Slide2一.伺服电机基本知识伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。最常见的伺服是交流永磁同步伺服电机，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电在定子中形成变化的电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，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。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。最常见的是2500线标准编码器配置的伺服电机。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永©ABBGroupApril21,2020|Slide3磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。中低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。应用在特定要求高的一些场合，如伺服电机MR－J3系列的响应频率可达900Hz，目前国内主流产品的频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。©ABBGroupApril21,2020|Slide4伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电机分类1、交流伺服电动机2、直流伺服电动机伺服电动机分为：同步伺服异步伺服©ABBGroupApril21,2020|Slide5伺服电机知识点概述•电机制造是一个传统行业，已经存在100余年。•电机的控制技术，是除了气缸控制技术外，比较难的技术；特别是大家之前经常提到的“矢量控制技术”。•电机控制技术的难点，交流电机模型特点是高阶、非线性、强耦合的多变量系统；•目前电机控制，主要是基于芯片控制、高速传输技术为基础的反馈控制系统。•电机控制技术，已经逐步实现直驱控制。像安川已经推出配套驱动器的直驱电机。©ABBGroupApril21,2020|Slide6在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。1.2伺服电机最大特点©ABBGroupApril21,2020|Slide71.3伺服电机与普通电机相比具有如下特点(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。(2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。©ABBGroupApril21,2020|Slide82伺服电机基本结构及原理交流伺服电机系统驱动器交流伺服电机器©ABBGroupApril21,2020|Slide9伺服电机主要构成©ABBGroupApril21,2020|Slide101、结构(永磁同步电机)主要由：定子1、转子5和检测元件8等几部分组成。1234156789©ABBGroupApril21,2020|Slide11(1)笼型转子铁芯槽内放铜条,端部用短路环形成一体,或铸铝形成转子绕组。2伺服电机基本结构及原理铸铝的笼型转子转子定子壳体2、转子笼型转子©ABBGroupApril21,2020|Slide12(2)杯型转子纲薄壁园筒形，放于内外定子之间。一般壁厚为0.3mm2伺服电机基本结构及原理杯型转子转子定子壳体©ABBGroupApril21,2020|Slide132.2转动原理2伺服电机基本结构及原理©ABBGroupApril21,2020|Slide142三相异步电动机的转动原理2.2转动原理©ABBGroupApril21,2020|Slide152三相异步电动机的转动原理2.2转动原理当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，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。©ABBGroupApril21,2020|Slide163旋转磁场作用下的运行分析为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。3.1伺服电机旋转磁场的产生电气原理图控制绕组励磁绕组©ABBGroupApril21,2020|Slide173旋转磁场作用下的运行分析cfmfmc90sinsinIitIitIi同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为3.1旋转磁场的产生©ABBGroupApril21,2020|Slide18控制绕组励磁绕组当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。UC1UC2UF1UF23.1旋转磁场的产生©ABBGroupApril21,2020|Slide193.2伺服电机旋转磁场的方向控制绕组励磁绕组©ABBGroupApril21,2020|Slide20控制绕组励磁绕组3.2伺服电机旋转磁场的方向©ABBGroupApril21,2020|Slide213.3伺服电机旋转磁场的速度旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P＝1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率f＝400Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P＝1而言，旋转磁场转速为n0=24000r／min旋转磁场转速为的一般表达式为min)/(60)/(0rpfsrpfn©ABBGroupApril21,2020|Slide224.伺服电机的机械特性及控制方式4.1伺服电机的机械特性©ABBGroupApril21,2020|Slide23对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压UC＝0，这时磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N—S和N—S在空间以相反方向旋转。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象©ABBGroupApril21,2020|Slide244.2零信号时的机械特性和无“自转”现象©ABBGroupApril21,2020|Slide25当电阻已增大到使临界转差率＞1的程度时，合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(S＝1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压UC取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。4.2零信号时的机械特性和无“自转”现象©ABBGroupApril21,2020|Slide264.3伺服电机控制方式及特性设电机的负载阻转矩为TL，控制电压0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb，电机就在B点运行。伺服电动机的机械特性ABC结论：改变控制电压的大小，就实现了转速的控制©ABBGroupApril21,2020|Slide27伺服电机主要参数©ABBGroupApril21,2020|Slide281.6.1功率的选择功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1.对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。6.伺服电机的选择©ABBGroupApril21,2020|Slide296.1种类和型式的选择1.种类的选择一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。2.结构型式的选择根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机©ABBGroupApril21,2020|Slide306.2主要性能指标的选择1．空载始动电压UCO在额定励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定义为空载始动电压。用通过以额定控制电压的百分比来表示。UCO越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大于额定控制电压的3%～4％，使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的1％。©ABBGroupApril21,2020|Slide316.2主要性能指标的选择2．机械特性非线性度Km在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械待性与线性机械特性在转矩T＝Td／2时的转速偏差△n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机械待性非线性度。%1000nknm一般要求Km≤10％～20％©ABBGroupApril21,2020|Slide326.2主要性能指标的选择3．调节特性非线性度Kv在额定励磁电压和空载情况下，当控制电压0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差△n与控制电压＝1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即:%1000nknv一般要求Kv≤20％～25％©ABBGroupApril21,2020|Slide336.2主要性能指标的选择4．堵转特性非线性度kd在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转持性的最大转矩偏差(△Tdn)max与控制电压＝1时的堵转转矩Tdo之比值的百分数，定义为堵转待性非线性，即%100)(0maxddndTTk以上这几种持性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确。一般要求Kd≤±5％©ABBGroupApril21,2020|Slide341.4伺服电机在自控制系统中的典型应用其它场合的应用©ABBGroupApril21,2020|Slide351.5伺服电动机典型生产厂家德国西门子，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器©ABBGroupApr